41

происхождение подземных вод

Подземные воды формируются в основном из вод атмосферных осадков, выпадающих на земную поверхность и просачивающихся вод (инфильтрующих) в землю на некоторую глубину, и из вод из болот, рек, озер и водохранилищ, также просачивающихся в землю. Количество влаги, прогоняемой таким образом в почву, составляет 15-20 % общего количества атмосферных осадков.

Проникновение вод в грунты (водопроницаемость), слагающих земную кору, зависит от физических свойств этих грунтов. В отношении водопроницаемости грунты делятся на три основные группы: водопроницаемые, полупроницаемые и водонепроницаемые или водоупорные.

К водопроницаемым породам относятся крупнообломочные породы, галечник, гравий, пески, трещиноватые породы и т.д. К водонепроницаемым породам – массивно- кристаллические породы (гранит, мрамор), имеющие минимальную впитывать в себя влагу, и глины. Последние, пропитавшись водой, в дальнейшем ее не пропускают. К породам полупроницаемым относятся глинистые пески, рыхлые песчаники, рыхловатые мергели и т.п.

Подземные воды в земной коре распределены в двух этажах. Нижний этаж, сложенный плотными магматическими и метаморфическими породами, содержит ограниченное количество воды. Основная масса воды находится в верхнем слое осадочных пород. В нем по характеру водообмена с поверхностными водами выделяют три зоны: зону свободного водообмена (верхнюю), зону замедленного водообмена (среднюю) и зону весьма замедленного водообмена (нижнюю). Воды верхней зоны обычно пресные и служат для питьевого, хозяйственного и технического водоснабжения. В средней зоне располагаются минеральные воды различного состава. Это – древние воды. В нижней зоне находятся высокоминерализованные рассолы. Из них добывают бром, иод и другие вещества.

Подземные воды образуются различными способами. Один из основных способов образования подземной воды – просачивание, или инфильтрация, атмосферных осадков и поверхностных вод (озёр, рек, морей и т.д.). По этой теории, просачивающаяся вода доходит до водоупорного слоя и накапливается на нём, насыщая породы пористого и пористо-трещинноватого характера. Таким образом возникают водоносные слои, или горизонты подземных вод. Поверхность грунтовых вод, называется зеркалом грунтовых вод. Расстояние от зеркала грунтовых вод до водоупора называют мощностью водоупорного слоя.

Количество воды, просочившийся в грунт, зависит не только от его физических свойств, но и от количества атмосферных осадков, наклона местности к горизонту, растительного покрова и др. При этом длительный моросящий дождь создает лучшие условия для просачивания, чем обильный ливень, так как чем интенсивнее осадки, тем с большей скоростью выпавшая вода стекает по поверхности почвы.

Крутые склоны местности увеличивают поверхностный сток и уменьшают просачивание атмосферных осадков в грунт; пологие, наоборот, увеличивают их просачивание. Растительный покров (лес) увеличивает испарение выпавшей влаги и в то же время усиливает выпадение осадков. Задерживая поверхностный сток, он способствует просачиванию влаги в грунт.

Для многих территорий земного шара инфильтрация является основным способом образования подземных вод. Однако имеется и другой путь их образования – за счёт конденсации водяных паров в горных породах. В тёплое время года упругость водяного пара в воздухе больше, чем в почвенном слое и нижележащих горных породах. Поэтому водяные пары атмосферы непрерывно поступают в почву и опускаются до слоя постоянных температур, расположенного на разных глубинах – от одного до нескольких десятков метров от поверхности земли. В этом слое движение паров воздуха прекращается в связи с увеличением упругости водяных паров при повышении температуры в глубине Земли. Вследствие этого возникает встречный поток водяных паров из глубины Земли вверх – к слою постоянных температур. А в зоне постоянных температур в результате столкновения двух потоков водяных паров происходит их конденсация с образованием подземной воды. Такая конденсационная вода имеет большое значение в пустынях, полупустынях и сухих степях. В знойные периоды года она является единственным источником влаги для растительности. Таким же способом возникли основные запасы подземной воды в горных районах Западной Сибири.

Оба способа образования подземных вод – путём инфильтрации и за счёт конденсации водяных паров атмосферы в породах – главные пути накопления подземных вод. Инфильтрационные и конденсационные воды иногда называются вандозными водами (от лат. "vadare" – идти, двигаться). Эти воды образуются из влаги атмосферы и участвуют в общем круговороте воды в природе.

Некоторые исследователи отмечают еще один способ образования подземных вод – ювениальные. Многие выходы этих вод в районах современной или недавней вулканической активности характеризуются повышенной температурой и значительной концентрацией солей и летучих компонентов. Для объяснения генезиса таких вод австрийский геолог Э. Зюсс в 1902 году выдвинул теорию ювенильного (от лат. "juvenilis" – девственный). Такие воды, как считал Зюсс, образовались из газообразных продуктов, в изобилии выделяющихся при вулканической активности и дифференциации магматической лавы.

Более поздние исследования показали, что чистых ювенильных вод, как их понимал Э. Зюсс, в поверхностных частях Земли не существует. В природных условиях подземные воды, возникшие разными способами, смешиваются друг с другом, приобретая те или иные свойства. Однако определение генезиса подземных вод имеет большое значение: оно облегчает подсчёт запасов, выяснение режима и их качество.

Уровень грунтовых вод подвержен постоянным колебаниям. Так, во время весеннего половодья и паводков уровень воды в реке, поднимаясь выше уровня речного потока, направленного к реке, вызывает отток воды из нее и подъем уровня грунтовых вод. Это снижает высоту уровня весенних половодий. На спаде грунтовые воды начинают питать реку, и уровень грунтовых вод понижается.

Грунтовые воды могут образовываться за счет искусственных гидротехнических сооружений например таких, как оросительные каналы. Так, при строительстве Каракумской оросительной системы за счет переброса части стока сибирских рек, в пустынной части значительное количество воды уходило не столько на поливные нужды, сколько на испарение и в грунт. Произошло это вследствие того, что большая часть оросительной системы проходила по песчаным почвам, где коэффициент фильтрации достаточно высок, и несмотря на противофильтрационные меры, падения уровней воды за счет фильтрации воды в грунт были велики. Все это, помимо уменьшения стока рек, приводило к тому, что содержащиеся в грунте соли растворялись грунтовыми водами, и при движении подводных потоков обратно в канал происходило его засоление и загрязнение илом.

классификация подземных вод условия их залегания

Существует несколько классификаций подземных вод.

По условиям движения в водоносных слоях различают подземные воды, циркулирующие в рыхлых (песчаных, гравийных и галечниковых) слоях и в трещиноватых скальных породах.

Подземные воды, перемещающиеся под влиянием силы тяжести, называются гравитационными, или свободными, в отличие от вод, связанных, удерживаемых молекулярными силами, — гигроскопических, плёночных, капиллярных и кристаллизационных.

В зависимости от характера пустот водовмещающих пород подземные воды делятся на:

• поровые — в песках, галечниках и др. обломочных породах;

• трещинные (жильные) — в скальных породах (гранитах, песчаниках);

• карстовые (трещинно-карстовые) — в растворимых породах (известняках, доломитах, гипсах и др.).

По условиям залегания выделяют три типа подземных вод: верховодку, грунтовые и напорные, или артезианские.

Верховодкой называются подземные воды, залегающие вблизи поверхности земли и отличающиеся непостоянством распространения. Обычно верховодка приурочена к линзам водоупорных или слабо проницаемых горных пород, перекрываемых водопроницаемыми толщами.

Верховодка занимает ограниченные территории, это явление – временное, и происходит оно в период достаточного увлажнения; в засушливое время гола верховодка исчезает. Верховодка относится к первому от поверхности земли водоупорному пласту. В тех случаях, когда водоупорный пласт залегает вблизи поверхности или выходит на поверхность, в дождливые сезоны развивается заболачивание.

К верховодке нередко относят почвенные воды, или воды почвенного слоя. Почвенные воды представлены почти связанной водой. Капельно-жидкая вода в почвах присутствует только в период избыточного увлажнения.

Грунтовые воды. Грунтовыми называются воды, залегающие на первом водоупорном горизонте ниже верховодки. Обычно они относятся к водонепроницаемому пласту и характеризуются более или менее постоянным притоком воды. Грунтовые воды могут накапливаться как в рыхлых пористых породах, так и в твёрдых трещиноватых коллекторах. Уровень грунтовых вод представляет собой неровную поверхность, повторяющую, как правило, неровности рельефа в сглаженной форме: на возвышенностях он ниже, в пониженных местах – выше.

Грунтовые воды перемещаются в сторону понижения рельефа. Уровень грунтовых вод подвержен постоянным колебаниям - на него влияют различные факторы: количество и качество выпадающих осадков, климат, рельеф, наличие растительного покрова, хозяйственная деятельность человека и многое другое.

Грунтовые воды, накапливающиеся в аллювиальных отложениях – один из источников водоснабжения. Они используются как питьевая вода, для полива. Выходы подземных вод на поверхность называются родниками, или ключами.

Напорные, или артезианские воды. Напорными называют такие воды, которые находятся в водоносном слое, заключенном между водоупорными слоями, и испытывают гидростатическое давление, обусловленное разностью уровней в месте питания и выхода воды на поверхность. Область питания у артезианских вод обычно лежит выше области стока воды и выше выхода напорных вод на поверхность Земли. Если в центре такой чаши заложить артезианскую скважину, то вода из нее будет вытекать в виде фонтана по закону сообщающихся сосудов.

Размеры артезианских бассейнов бывают весьма значительными – до сотен и даже тысячи километров. Области питания таких бассейнов зачастую значительно удалены от мест извлечения воды. Так, воду, выпавшую в виде осадков на территории Германии и Польши, получают в артезианских скважинах, пробуренных в Москве; в некоторых оазисах Сахары получают воду, выпавшую в виде осадков над Европой.

Артезианские воды характеризуются постоянством воды и хорошим качеством, что немаловажно для её практического использования.

По происхождению выделяется несколько типов подземных вод.

Инфильтрационные воды образуются благодаря просачиванию с поверхности Земли дождевых, талых и речных вод. По составу они преимущественно гидрокарбонатно-кальциевые и магниевые. При выщелачивании гипсоносных пород формируются сульфатно-кальциевые, а при растворении соленосных — хлоридно-натриевые воды.

Конденсационные подземные воды образуются в результате конденсации водяных паров в порах или трещинах пород.

Седиментационные воды формируются в процессе геологического осадкообразования и обычно представляют собой измененные захороненные воды морского происхождения — хлоридно-натриевые, хлоридно-кальциево-натриевые и др. К ним же относятся погребённые рассолы солеродных бассейнов, а также ультрапресные воды песчаных линз в моренных отложениях.

Воды, образующиеся из магмы при её кристаллизации и вулканическом метаморфизме горных пород, называются магматогенными, или ювенильными (по терминологии Э. Зюсса).

42

По определению Н. М. Страхова осадконакопление – это закономерно развивающийся историко-геологический процесс. В самом общем виде образование осадочных пород (литогенез) происходит по схеме: мобилизация вещества при выветривании – перенос осадочного материала с частичным отложением на путях переноса – поступление осадков в конечные водоемы стока и их осаждение – преобразование осадков в породы и их последующие изменения, в том числе выветривание. Получается своего рода замкнутый цикл – круговорот осадочного вещества в природе. Однако данная схема существенно зависит от физико-географических, тектонических, химических, биологических условий, в которых происходит осадкообразование. Комплекс условий, в которых накапливаются осадки, характеризует обстановку осадконакопления. Обстановка осадконакопления непостоянна во времени и изменяется в соответствии с изменением определяющих ее условий. Осадки реагируют на всякую разницу в обстановке.

Обстановки осадконакопления выделяются и характеризуются на основании различных принципов. Так У. Х. Твенхофел подразделяет их на 2 главных отдела: континентальный и морской с последующим более дробным выделением пустынной, речной обстановок, обстановки предгорий и др. Л. В. Пустовалов разделял этот же подход, но обратил особое внимание на физико-химические факторы, регулирующие седиментацию, и определяющие особенности, закономерности механической, коллоидной и химической дифференциации вещества, в том числе с образованием полезных ископаемых.

В настоящее время принято выделять три основных группы обстановок или три области осадконакопления: море, континент и краевая, переходная от морских к континентальным условиям область. Каждая область включает несколько обстановок с характерными для нее ассоциациями пород.

Область морского осадконакопления включает как относительно мелководные, так и глубоководные морские бассейны: неритовые (мелководные), батиальные (промежуточные), абиссальные (глубоководные) обстановки, переходящие одна в другую. Здесь же выделяется обстановка морских ледников. Представления об областях и обстановках осадконакопления лежат в основе генетического анализа осадочных горных пород.

Область континентального осадконакопления включает обстановки предгорных и равнинных долин, ледниковую, пустынную, пещерные и др.

Переходная область объединяет береговые, дельтовые, лагунные обстановки.

В. И. Попов, развивая представления Д. В. Наливкина, провел увязку трех областей осадконакопления со строением континентальных окраин материков, к которым примыкают глубоководные равнины. Обстановки континентальной ступени включают отложения склонов и предгорных равнин, сменяющиеся обстановками переходной области, расположенной на сопряжении предгорной равнины и морской акватории. Это дюны, подводная и надводная дельта реки, стекающей с горного поднятия. Соответственно морские обстановки включают область шельфа с накоплениями прибрежных мелководных осадков, известняковыми рифами, отложения континентального склона и подводной равнины, в которую переходит континентальный склон.

Обстановки осадконакопления определяются действием группы факторов, контролирующих седиментацию.

Область морского осадконакопления Органическая жизнь в областях морского осадконакопления

Морские бассейны богаты органической жизнью. Общее число видов организмов в морях и океанах достигает 17 тысяч. Различные виды организмов расселены во всей толще морской и океанической воды от поверхности до дна глубоких океанических впадин, образуя биологические зоны обитания.

Есть организмы, расселенные на морском дне или вблизи нег, ведущие прикрепленный или подвижный донный образ жизни. В совокупности их называют бентос, в отличие от организмов пелагиальных, населяющих толщу воды. В свою очередь пелагиальные формы подразделяются на две группы: активно плавающие – нектон и перемещаемые движением массы воды – планктон (пассивно плавающие). Нектон это рыбы, ластоногие, китообразные, головоногие моллюски. К планктону относятся одноклеточные водоросли, простейшие, мелкие рачки, медузы, личинки многих беспозвоночных. Среда обитания планктона – верхние слои воды, освещенные солнцем. Плотность заселения планктоном в прибрежных водах составляет сотни граммов на кубический метр.

Факторы, контролирующие морское осадконакопление

К факторам, контролирующим ход и определяющим результаты осадконакопления в морских и океанических бассейнах, относятся климат, соленость воды, глубина бассейна, газовый режим, наличие и характер течений, биологическая активность.

Климат по соотношению количества атмосферных осадков и интенсивности испарения подразделяется на 3 типа: аридный, гумидный и ледовый (нивальный). По температурному режиму: тропический, умеренный, холодный, бореальный (снежный). В гумидных областях температура поверхностного слоя воды от +28°С (экватор) и +2°С у дна. В полярных областях придонная вода имеет температуру от 0 до -2°С.

В наиболее общих чертах влияние климата на осадконакопление проявляется следующим образом. В бассейнах, расположенных в зонах аридного климата, доминирует хемогенное осаждение. В бассейнах гумидных климатических зон, в тропиках широко развито биогенное осадконакопление с участием многочисленных форм живых организмов и растений. Для гумидных зон с умеренным и ледовым климатом характерно гравитационное осаждение и преобладание кластогенных осадков.

Области тропического климата, с годовым количеством осадков не менее 750 мм, занимают около 36% земной поверхности. Области аридного (сухого) климата, умеренного, жаркого, холодного преобладают на поверхности материков, занимая пости половину площади. Годовое количество осадков в этих областях составляет 100 – 200 мм/год и менее. Зоны холодного арктического климата со средней годовой температурой ниже -10С имеют подчиненное значение и составляют порядка 7% поверхности Земли. В истории Земли в различные отрезки геологического времени, климатические условия не были одинаковыми и закономерно менялись во времени. Климат определяет тип, интенсивность выветривания, т.е. в существенной мере влияет на процесс образования осадочного материала, пути и способы его транспортировки, особенности отложения.

Более резко влияние климата сказывается на хемогенном и биогенном осадконакоплении, на образовании полезных ископаемых.

Во влажном, преимущественно тропическом поясе, сформировались осадочные железные и марганцевые руды. В бассейнах аридных зон накопились соленосные толщи. В теплых морях сформировались залежи фосфоритов, а в пределах гумидных зон возникли угленосные толщи.

Климатические обстановки влияют на развитие органического мира. Установлено увеличение видового разнообразия таких групп как моллюски, кораллы при переходе от областей холодного климата к тропическим. Например, в теплых водах Мексиканского залива живет 1500 видов живых организмов, а в водах северного Баренцева моря всего 200.

Температура, как важный показатель климата, является существенным фактором, определяющим бассейновое осадконакопление, а особенности ее воздействия на сформированную породу служат одним из критериев климатических палеореконструкций. Температуры влияют на растворимость многих солей и газов. Например, понижение температуры сильно повышает растворимость углекислого газа, а следовательно карбонатов и бикарбонатов. Карбонат раковин при низких температурах обогащается оксидом магния, а аутигенные плагиоклазы представлены почти чистым альбитом. Температуры воздействуют на изотопный состав кислорода O¹⁶ – O¹⁸ в кислородных соединениях.

Соленость бассейнов характеризуется составом и содержанием растворенных веществ. По степени солености бассейны делятся на 3 основных типа:

1. бассейны с нормальной соленостью (океан), с общей концентрацией солей в воде бассейна 35 ± 2‰;

2. бассейны осолоненные, в которых вода имеет минерализацию более 37‰ (Красное море);

3. бассейны опресненные с содержанием солей 18-22‰ (Черное море).

Внутриконтинентальные морские водоемы характеризуются аномальной соленостью, зависящей в основном от климатических условий. В областях аридного климата водная масса бассейна может иметь повышенную соленость, вплоть до образования рассолов (Мертвое море). В поясе влажного гумидного климата вода в таких водоемах отличается пониженной соленостью (опресненный бассейн).

Определенной изменчивости подвержен состав и содержание солей в океанической воде. Например, в полярных районах вода Тихого океана имеет несколько пониженную соленость 30-32‰, а в зоне пассатов она повышена до 37-38‰.

Соленость оказывает влияние на минеральный состав аутигенной составляющей осадка. В бассейнах с нормальной соленостью образуются кальцит, глауконит, фосфорит, в осолоняющихся водоемах осаждается доломит и затем эвапориты – гипс, ангидрит, галит, сильвин и др.

Степень солености сказывается на развитии органического мира и его видовом составе. Большинство морских беспозвоночных (стеногалинные формы) живут в воде с нормальной соленостью: кораллы, иглокожие, многие брахиоподы, фораминиферы, головоногие. Некоторые моллюски, гастроподы, остракоды, сине-зеленые водоросли могут обитать в бассейнах с аномальной соленостью. Это так называемые эвригалинные формы.

При высоких концентрациях солей представители флоры и фауны встречаются редко, вплоть до полного исчезновения. Сопоставление разнообразия органического мира с соленостью вод устанавливает зависимость между этими двумя характеристиками. Часть организмов не может приспособиться к изменению солености. Из данных, обобщенных в таблице, четко видно, что максимальный расцвет представителей класса моллюсков происходит в морских бассейнах с нормальной соленостью. Опреснение воды не способствует увеличению видового разнообразия, что можно проследить на примере числа видов пелеципод в различных подразделениях Балтийского моря.

Таблица 1 – Изменение разнообразия биоты в зависимости от солености вод в современных морях

Наименование водоема	Соленость, ‰	Виды пелеципод	Виды иглокожих	Классы моллюсков	Виды иных моллюсков
Балтийское море - Пролив Каттегат - Датские о-ва - Центральная часть -Заливы	30-35 10-33 7-15 7	87 34 24 5	35 8 2 -	87 39 24 5	- - - -
Эгейское море	Нормальная	-	-	157	410
Мраморное море	Промежуточная	-	-	103	240
Босфор	Промежуточная	-	-	86	151
Черное море	18	-	-	56	91

Соленость отражается также на появлении в составе различных микрокомпонентов и влияет на изотопный состав вещества раковин.

Газовый режим водных бассейнов определяется наличием в воде растворенных газов, таких как азот, кислород, углекислый и углеводородные газы, сероводород. Растворимость газов лимитируется минерализацией, температурой и давлением. Присутствие газовых составляющих отражается на значениях окислительно-восстановительного потенциала, условиях кислотности-щелочности, а также сказывается существенно на хемогенном, биогенном осадкообразовании и на последующих процессах диагенеза.

Содержания газов в морских и океанических водах обычно невысоки. Так, кислород отмечается в количествах 4-5 см³/л до 7 см³/л, обеспечивает поддержание органической жизни. Углекислый газ содержится в морской воде в зависимости от температуры: в количестве 53,3 мг/л при температуре 1,4-3,2⁰С, 35,88 мг/л – при температуре 25-28⁰С. Растворимость углекислого газа возрастает с глубиной из-за роста давления и понижения температуры.

В полузамкнутых водоемах может наблюдаться необычное распределение газов. В Черном море до глубины порядка 200 м поверхностные воды обогащены кислородом, опресненные с минерализацией 18‰. Ниже отметки 200 м воды более тяжелые с соленостью 22,3 до 35‰ бескислородные, но с повышенным содержанием сероводорода. Сероводородное заражение вызывает подавление бентоса и создает резко восстановительную среду, продуцируя сульфиды железа, других минералов и способствуя захоронению органического вещества.

Глубина бассейна оказывает влияние на распределение гранулометрических типов осадков, т.е. осадков с различным размером зерен, на развитие, видовой состав и количество бентоса.

Существует определенная зональность в распределении обломочных частиц на площади бассейна. У берега скапливается грубозернистый материал, сменяясь по мере удаления вглубь бассейна тонкозернистым. Выделяется так называемая «иловая линия», которая разделяет поле песчано-алевритовых осадков прибрежной зоны и поле илистых осадков на удалении от побережья. В открытых краевых мелководных морях эта линия проходит на глубинах 200 м, во внутриконтинентальных морях (Каспийское, Аральское) – на меньшей глубине, порядка 20-30 м. Характерно распределение в зависимости от глубины, океанических карбонатных осадков. На мелководье развиваются рифовые постройки и терригенно-карбонатные илы, из которых при диагенезе образуются мергели. С возрастанием глубин от 1 до 4 км осаждаются известковые илы, и с глубины около 4 км появляются глубоководные глинистые илы.

Индикатором глубины бассейна служит также фауна. Зеленые, сине-зеленые водоросли, багрянки, известковые губки, кораллы и представители некоторых других групп обитают на небольших глубинах, в мелководных частях бассейна. Здесь больше питательных веществ, воды хорошо перемешиваются, благодаря высокой подвижности среды, лучше прогреваются, в них много кислорода, необходимая для фотосинтеза степень освещенности.

Некоторые планктонные группы одноячеистых организмов (диатомеи, кокколиты и др.), обитая в приповерхностных слоях вод, распространены широко, в том числе в открытых океанах. Их присутствие в биогенной составляющей осадка вместе с другими планктонными формами, такими как фораминиферы, радиолярии, может указывать на седиментацию в глубоководных условиях. Характерно, что влияние глубины бассейна на состав и распределение бентоса происходит опосредованно, через освещенность, температуру, газовый режим.

Индикатором глубины морского бассейна может служить и состав аутигенной минерализации. Например, глауконит, гидроксиды железа образуются на небольших глубинах и в бассейнах нормальной солености.