u_lectures

Естественные ресурсы водоносного горизонта определяются величиной его питания в природных условиях. Питание складывается из инфильтрации атмосферных осадков, фильтрации из рек, перетекания из выше- и нижерасположенных горизонтов и расходование ее за счет испарения вод, оттока в выше- и нижерасположенные горизонты. Свое выражение естественные ресурсы находят в расходе потока подземных вод.

Трещинные и карстовые воды. Подземные воды в трещиноватых и закарстованных породах характеризуются своеобразными особенностями распределения, движения и накопления. Основные трудности заключаются в установлении путей движения таких вод, выделение водоносных зон и определении их мощности, выборе показателей для гидрогеологических расчетов. Это обуславливается тем, что трещины различного генезиса формируют неравномерно проницаемую среду.

Гидрогеологическая оценка трещиноватости горных пород (проницаемость и водоносность) определяется наличием трещин (нарушением сплошности без смещения вдоль нарушения), разрывов (с перемещением блоков породы вдоль плоскости разрыва) и в меньшей степени по трещинам напластования.

Гидрогеологическое изучение трещиноватости предполагает, наряду с выяснением генезиса, структурных особенностей, морфологии и направления трещин, количественную оценку параметров, определяющих водоносность: ориентировка трещин, их зияние, коэффициент трещинной пустотности.

Ориентировка трещин в блоке горных пород зависит от характера тектонических напряжений, под действием которых произошло растрескивание породы. Ориентировка трещин определяет различия в проницаемости блока породы по простиранию главных систем трещин.

Зияние трещин (S) – это среднее расстояние между их стенками. По величине зияния трещины делятся на макро- (S > 0,1 мм) и микротрещины (S > 0,1 мм). Большую роль играет отсутствие или наличие минерального заполнителя. Закрытые трещины проницаемы лишь при заполнении их рыхлым материалом.

Общей закономерностью развития трещиноватости может считаться ее затухание с глубиной.

Трещинные воды широко развиты в гидрогеологических массивах. Они могут быть безнапорными и напорными. Безнапорные трещинные воды (водоносные зоны открытой трещиноватости) связаны с верхней частью гидрогеологических массивов, где формируются потоки, направленные от водоразделов к подошве склонов. Обводненность неравномерная, мощность обводненной зоны не превышает 30-200 м.

Жильно-трещинные и жильные воды связаны с зонами тектонических нарушений и разломов, наиболее широко распространены в горно-складчатых областях. Они формируют линейно вытянутые и относительно неширокие потоки. Преимущественно это напорные (восходящие воды), движущиеся с

31

больших глубин и обладающие значительными ресурсами. Сохраняя гидростатическую природу напора, жильно-трещинные воды во многих случаях имеют турбулентный характер движения и в очагах разгрузки выводятся на поверхность групповыми источниками с огромным дебитом (до нескольких м3/сек) либо переливаются в рыхлые отложения. Обводненность пород в зонах разломов крайне неравномерна.

Карстовые воды являются разновидностью трещинных вод, но в отличие от последних формируются в растворимых горных породах при благоприятных гидрогеологических условиях. В соответствии с этим карстовые воды связаны с известняками, доломитами, мраморами, гипсами, отложениями каменной соли. Карстовые воды приурочены к площадям с наиболее интенсивной трещиноватостью пород. На поверхности Земли карст проявляется в виде воронок, пещер, трещин, колодцев, шахт, суходолов и т.д. Нередко карстовые формы располагаются на контакте карстующихся и некарстующихся пород.

Закарстованность пород прослеживается до уровня регионального базиса эрозии, т. е. может достигать несколько сот метров.

Подземные формы карста – открытые трещины и различного рода каналы, протягиваются на многие километры, образуя сложную сеть пустот и полостей, которые нередко частично или полностью заполнены водой.

Карстовые воды могут быть напорными и безнапорными. Обязательным условием развития карста, кроме наличия растворимых

пород, является формирование в них движущейся воды, обладающей растворяющей способностью. Наиболее интенсивно карстовые процессы протекают по трещинам выветривания и тектоническим нарушениям.

С глубиной растворяющая способность подземных вод уменьшается, поскольку большая часть агрессивной углекислоты расходуется на растворение вышележащих пород.

Движение воды в закарстованных породах подчиняется линейному закону Дарси, а на площадях интенсивного развития карста, где возможны крупные полости, пещеры, каналы воды приобретают турбулентный характер и подчиняются закону Шези-Краснопольского.

Режим карстовых вод отличается большим колебанием дебита и уровня. Минерализация вод и температура не испытывает таких колебаний. Мировой известностью пользуется карстовый источник Воклюз. Область питания источника равна 1650 км2. Вода выходит из огромного грота, находящегося в глубоком ущелье. Средний годовой дебит источника 17 м3/с при максимальном весеннем 152 м3/с. На площади питания источника выпадает 550 мм осадков, и 60 % из них расходуется на источник.

По характеру движения и режима воды в закарстованных породах выделяются следующие вертикальные гидродинамические зоны (по Д.С. Соколову, Г.А. Максимович) (рис. 9):

32

1.зона вертикального нисходящего движения (зона аэрации) с наличием подвешенных горизонтальных потоков;

2.зона сезонного колебания уровней;

3.зона горизонтального движения, находящегося в сфере дренирующего воздействия гидрографической сети с движением воды в сторону речной долины;

4.зона сезонной циркуляции, где направление движения карстовых вод обуславливается геолого-структурными особенностями и глубиной залегания карстующихся пород.

Рис. 9. Вертикальная зональность карстовых вод:

1–4 – зоны: 1 – аэрации; 2 – сезонного колебания уровня подземных вод; 3 - полного насыщения в сфере дренирующего воздействия долины; 4 – глубинной циркуляции подземных вод, расположенная вне влияния местной гидрографической сети

Химический состав карстовых вод весьма разнообразен. На площади карбонатных пород – это гидрокарбонатные кальциевые воды. В гипсах встречаются сульфатные кальциевые воды. В районах развития соляного карста – высокоминерализованные рассолы хлоридного натриевого состава.

Таким образом, для трещинных и карстовых вод характерно неравномерное распределение по площади и в разрезе. В отличие от трещинных вод карстовые воды формируются только в растворимых породах.

Подземные воды в многолетнемерзлых породах. Многолетнемерз-

лыми называются породы, имеющие отрицательную или нулевую температуру, содержащие лед и сохраняющие такое состояние в течение многих лет, веков, тысячелетий.

Основные особенности территорий с многолетнемерзлыми породами следующие:

1.существование воды во всех трех фазах – твердой, жидкой и парооб-

разной;

2.взаимосвязь этих фаз между собой и с вмещающими мерзлыми и талыми породами;

3.превращение хорошо проницаемых в талом состоянии пород в относительные водоупоры при промерзании.

33

По взаимоотношению жидкой фазы, т.е. собственно подземных вод и толщ мерзлых (водоупорных) пород Н.И. Толстихин (1941 г) предложил выделять надмерзлотные, межмерзлотные и подмерзлотные воды (рис. 10).

Рис. 10. Распределение подземных вод в многолетнемерзлых породах:

А – надмерзлотные воды, Б – воды несквозного подозерного талика, В – воды сквозного питающего талика, Г – воды сквозного подруслового талика, Д – межмерзлотные воды, Е – внутримерзлотные воды, Ж – подмерзлотные воды контактирующие, З – подмерзлотные воды неконтактирующие; 1 – пески; 2 – гравийно-галечные отложения; 3 – суглинки; 4 – щебень и дресва; 5 – известняки; 6 – песчаники; 7 – сланцы; 8 – граница многолнтнемерзлых пород

Надмерзлотные воды по условиям залегания и режима делятся на сезоннопромерзающие и на сезоннонепромерзающие. К сезоннопромерзающим относятся воды деятельного слоя. Важнейшей особенностью их режима является временное существование жидкой фазы – от двух (в Арктике) до шести месяцев (у южной границы многолетнемерзлых пород). Направление движения контролируется уклоном поверхности нижнего водоупора (промороженных пород), который обычно соответствует рельефу. Разгрузка вод деятельного слоя происходит в долинах рек и других пониженных формах рельефа.

Мощность протаивающего слоя увеличивается с севера на юг, а в горных районах – по мере снижения абсолютной высоты и в зависимости от экспозиции склонов.

Сезоннопромерзающие воды обычно ультрапресные с минерализацией, резко превышающей 0,1г/л. По составу они изменяются от хлоридногидрокарбонатных натриевых (при минерализации до 0,05 г/л) до гидрокарбонатных кальциевых. Реакция воды преимущественно кислая с рН от 5 до 6.

Сезоннополупромерзающие воды встречаются сравнительно редко на участках, где деятельный слой, сложенный хорошопроницаемыми породами, перекрывает водоносный талик. В этом случае воды деятельного слоя не промерзают на всю мощность, и в нижней части в отдельные годы сохраняет-

34

ся жидкая фаза. По характеру режима отличаются от вышеописанных вод наличием напора.

Сезоннонепромерзающие воды связаны с несквозными таликами. Под таликом понимается толща пород с положительной температурой либо с температурой выше точки замерзания содержащихся в них гравитационный вод, расположенная среди многолетнемерзлых пород (Некрасов, 1967 г). Особенно широко распространены подрусловые талики в долинах крупных рек. Области их питания значительно превышают по площади распространение. Они образуют как подрусловые потоки надмерзлотных вод, так и различные по площади бассейны.

Подрусловый поток протяженностью 15 км известен в пойме р. Уюльной (бассейн р. Анадырь). Трубообразный по форме несквозной талик протяженностью 7 км известен в пролювиально-аллювиальных отложениях р. Наминги (север Читинской области).

Режим надмерзлотных вод подрусловых таликов зависит от их гидравлической связи с поверхностными водами. В надмерзлотных таликовых потоках он характеризуется резким истощением ресурсов в осенне-зимний период и максимумом – в середине лета. Минерализация подрусловых вод изменяется от 0,1 до 0,5 г/л, а состав – от гидрокарбонатного магниево-кальциевого до хлоридно-гидрокарбонатного кальциево-натриевого.

К межмерзлотным относятся жидкие растворы в слоях, ограниченных сверху и снизу толщами многолетнемерзлых пород. Внутримерзлотные воды

– это жидкие растворы в виде линз и прослоев, ограниченных многолетнемерзлыми породами со всех сторон.

Температура этих вод бывает и положительная и отрицательная. Положительная температура межмерзлотных вод формируется преимущественно в связи с различной величиной оттаивания и промерзания верхней части несквозных таликов, а также отепляющим влиянием сохраняющейся жидкой фазы на подстилающие мерзлые породы, где отсутствует приток холода. Межмерзлотные водоносные горизонты могут возникать и сохраняться в оттаивающих слоях повышенной проницаемости среди слабопроницаемых и водоупорных пород при наличии питания и разгрузки по сквозным таликам.

Дебит родников межмерзлотных вод может достигать 40 и даже 160 л/сек. Минерализация и состав положительно температурных межмерзлотных вод определяются питающими водами, а также динамикой их движения. Они могут быть пресными и солоноватыми.

Отрицательно температурные межмерзлотные и внутримерзлотные воды (криопэги) развиты преимущественно в областях сплошного распространения многолетнемерзлых толщ. Сохранение таких переохлажденных вод в жидкой фазе связано с их высокой минерализацией (от 35 до 320 г/л), при которой снижается температура замерзания воды.

Межмерзлотные криопэги на небольшой глубине (единицы и десятки метров) выявлены по побережье Беренгова и Охотского морей, шельфе и ост-

35

ровах Северного Ледовитого океана. На южном склоне Анабарского массива они вскрыты на глубине 200-300 м.

Подмерзлотные воды – это жидкие водные растворы, залегающие ниже подошвы многолетнемерзлых пород. Н.Н. Романовский подразделяет их на контактирующие, неконтактирующие и глубинные.

Для контактирующих подмерзлотных вод верхним водоупором являются вечномерзлые породы. Подмерзлотные криопэги могут иметь положительную и отрицательную температуру, характеризуются высокой минерализацией.

По представлениям Н.М и О.Н. Толстихиных отрицательно температурные соленые воды и рассолы составляют нижнюю зону пояса отрицательных температур. В качестве примера можно привести концентрированные хлоридные кальциевые рассолы с температурой -1,80С, зафиксированные в Мархинских скважинах на севере Сибирской платформы на глубине 1000 м.

Минеральные, промышленные и термальные воды.

Минеральными называются природные воды, особенности состава и свойств которых позволяют использовать их в качестве лечебных, промышленных или теплоэнергетических.

Основной особенностью химического состава минеральных вод является присутствие обычных или специфических компонентов (CO2, H2S, N2, Br, I, B, H4SiO4, Rn, As, органические вещества и др.).

Лечебными минеральными называются воды, обладающие целебными свойствами благодаря наличию в их составе различных минеральных, органических или радиоактивных веществ, в том числе газов в терапевтически активных концентрациях.

Кроме вышеуказанных компонентов, представляющих интерес для бальнеологии, существенное значение имеют щелочно-кислотное состояние, температура, общее содержание растворенных компонентов, а также в связи с токсичностью повышенные концентрации ряда металлов (табл. 2).

Разработаны нормы и критерии отнесения подземных вод к категории лечебных, т.е. нижние пределы концентраций компонентов, при которых вода начинает оказывать на организм человека лечебное воздействие, отличающееся от действия обычной питьевой воды (табл. 3).

Для систематизации разнообразия состава и свойств лечебных минеральных вод служит классификация В.В. Иванова и Г.А. Невраева (1964 г), которая позволяет учесть как все бальнеологические компоненты и свойства, так и общие характеристики ионного состава, величину минерализации, ще- лочно-кислотное состояние и температуру. В зависимости от состава фармакологически активных компонентов минеральные воды разделены на 8 групп с подгруппами по газовому составу: 1) углекислые; 2) сульфидные (CO2, CH4, N2); 3) железистые, мышьяковистые и др. (CO2, N2); 4) бромные, йодные (CH4, N2); 5) с повышенным содержанием органических веществ (CH4, N2); 6) радоновые (CO2, N2); 7) кремнистые термальные (CO2, CH4, N2); 8) без специфиче-

36

ских компонентов и свойств – включает минеральные воды, бальнеологическое действие которых определяется составом макрокомпонентов и величиной минерализации.

Промышленными называются воды, содержащие полезные компоненты, (Br, I, B и др.) в количестве, обеспечивающем в конкретных гидрогеологических районах их рентабельную добычу и переработку с использованием современной технологии. Промышленные воды могут использоваться также в лечебных целях и для теплоснабжения.

37

Подземные промышленные воды относятся к группе высокоминерализованных вод и рассолов. По величинам концентраций полезных компонентов и количеству эксплуатационных ресурсов перспективными на минеральное сырье являются: 1) пластовые хлоридные рассолы артезианских бассейнов; 2) углекислые воды альпийской зоны горно-складчатых областей; 3) термальные хлоридные воды современных вулканических областей.

Большие запасы промышленных вод известны на Русской платформе. В пределах Западно-Сибирской платформы в юрских и меловых отложениях развиты главным образом йодные воды. При концентрациях брома всего лишь до 0,15, йода – 0,03 и бора 0,01-0,15 г/дм3 ряд районов считается экономически рентабельным благодаря высокой обводненности отложений.

Для территории России выполнена региональная оценка эксплуатационных запасов подземных промышленных йодо-бромистых вод с составлением соответствующей карты.

Термальными называются воды с температурой выше 350С. Они используются для выработки электроэнергии (100-1800С), теплофикации и горячего водоснабжения жилых и промышленных комплексов (70-1000С), в те- плично-парниковом хозяйстве, в бальнеологических целях (менее 700С) и др.

Попутно из термальных вод извлекают ценные компоненты: Li, Br, I, B, Na2SO4, Rn, As, редкие металлы и др.).

Термальные воды могут формироваться в артезианских бассейнах и в аномально геотермических условиях под влиянием магматических и вулканических процессов.

Тема 1.4. Химический состав подземных вод

План:

1.4.1.Физические свойства подземных вод

1.4.2.Основные факторы формирования химического состава подзем-

ных вод

1.4.3.Макрокомпоненты в подземных водах

1.4.4.Методы изучения химического состава воды

1.4.5.Оценка качества воды для питья и технических целей

1.4.1. Физические свойства подземных вод

Подземные воды – это сложные химические растворы, содержащие ионы (макро- и микрокомпоненты), разнообразные газы, коллоиды, органические вещества. В подземных водах практически всегда присутствуют микроорганизмы.

Главнейшими физическими свойствами воды, используемыми в гидрогеологии, являются температура, прозрачность, цвет, запах, вкус, плотность, радиоактивность.

38

Температура воды устанавливается под влиянием климата (например, в зоне вечной мерзлоты температура воды отрицательная), современного тектонического режима (например, в областях молодого вулканизма встречаются термальные воды с температурой +1000С и более).

Прозрачность воды характеризуется ее способностью пропускать световые лучи. Зависит от содержания в воде механических примесей и органических веществ. Прозрачность определяют в стеклянном цилиндре высотой 30 – 40 см со шрифтом или меткой на дне. Высота столба воды в сантиметрах, через который ясно читается шрифт, определяет прозрачность воды.

Цвет у природных вод обуславливается растворенными органическими соединениями или веществами, находящимися в виде взвеси. Цветность воды выражают в градусах по стандартной платиново-кобальтовой шкале.

Запах в подземных водах обычно отсутствует. Иногда воды, богатые гуминовыми веществами, имеют болотный запах. Кроме этого воды могут иметь запах сероводорода, гнилостный и др. Для точного определения запаха воду нагревают до температуры 50 – 600С, затем оценивают запах по специальной шкале в баллах.

Вкус и привкус определяют в сырой воде за исключением открытых водоемов и источников, сомнительных в санитарном отношении. Вода может иметь соленый, горький, сладкий и кислый вкус. Вкус и привкус воде придают растворенные в ней минеральные вещества, газы, различные примеси. Вкус определяют по специальным таблицам в баллах.

Плотность. Наибольшей плотностью вода обладает при температуре 40С. В отличие от других жидкостей при охлаждении от 4 до 00С вода расширяется, поэтому лед легче воды, его плотность составляет 0,92 г/см3. Плотность пресной воды при температуре 40С составляет 1 г/см3, плотность морской воды варьирует в пределах от 1,03 до 1,08 г/см3.

Радиоактивность. Подземные воды, содержащие природные радиоизотопы урана, радона и радия, называются радиоактивными. Содержание урана и радия в водах измеряется в граммах на литр. Количество радона выражается в кюри, т.е. количеством радона, находящемся в радиоактивном равновесии с

1 г радия. Более мелкими единицами являются милликюри (1∙10-3 кюри) и эман (1∙10-10 кюри).

1.4.2. Основные факторы формирования химического состава подземных вод

Химический состав подземных вод формируется в условиях, резко отличных от поверхностных вод. Ведущую роль здесь играют геологические и гидрогеологические факторы. Состав подземных вод зависит от типа геологических структур, тектоники, наличия вулканизма, литологического состава пород, от динамики подземных вод.

39

Одной из важнейших проблем познания природы воды является изучение ее ионно-солевого состава, формирующегося под влиянием целого ряда естественных и искусственных факторов. По характеру воздействия факторы подразделяются на следующие группы: 1) физико-географические; 2) геологические; 3) геологические; 4) физико-химические; 5) физические; 6) биологические; 7) искусственные [6].

Кфизико-географическим факторам относятся рельеф, гидрографи-

ческая сеть, климат, процессы выветривания, почвенный покров и растительность.

Рельеф оказывает влияние на условия водообмена, от которого зависит минерализация и солевой состав подземных вод.

Гидрографическая сеть оказывает примерно аналогичное влияние на формирование химического состава подземных вод. Существенное значение имеют густота речной сети, глубина эрозионного вреза, режим и химический состав поверхностных вод, характер взаимоотношения с подземными водами.

Климат определяет водный режим подземных вод. От количества выпадающих атмосферных осадков зависят запасы подземных вод, их минерализация и состав.

Процессы выветривания, влияющие на формирование химического состава, делятся на химические и биологические. Основным агентом химического выветривания является атмосферная вода, действие которой усиливается растворенной в ней углекислотой. Химическое выветривание складывается из более простых процессов: растворения (разрушение водой кристаллической решетки минералов горных пород), гидролиза (реакции ионного обмена между веществами и водой: А–В + Н–ОН → А–Н + В–ОН), гидратации (присоединение к растворенному в воде веществу молекул воды) и т.д. Различают два вида химического выветривания: углекислое и сернокислое. Интенсивность углекислого выветривания определяется концентрацией углекислого газа.

Сернокислое выщелачивание проявляется на участках сульфидных месторождений за счет окисления сульфидов.

Биологическим выветриванием называют процесс механического разрушения и химического изменения минералов горных пород под воздействием поселившихся на них организмов, продуктов жизнедеятельности последних и продуктов разложения органических остатков.

Большое слияние на химический состав подземных вод оказывают растительность и почвы. Под влиянием гумусовых кислот вода становится агрессивной не только по отношению к карбонатным породам, но и изверженным.

Почвы обогащают воду газами, ионами и органическим веществом. Существенное влияние оказывает проницаемость почв, наличие воднорастворимых солей.

Кгеологическим факторам относятся геологическое строение, тектонические движения, геостатическое давление, геоморфология, минеральный

40