6. Основи гідрогеології.

6.1. Загальні відомості.

Води, що знаходяться у верхній частині земної кори і циркулюють у порах та тріщинах гірських порід, називаються підземними. Вони є головним джерелом питного та технічного водопостачання, використовуються також для зрошення, у лікувальних цілях. Однак, підземні води досить часто утруднюють будівництво, особливо в разі проведення земляних робіт в умовах припливу їх до котлованів, траншей, кар'єрів та інших виробок. Підземні води зменшують механічні властивості глинистих порід, призводять їх до текучого стану, викликають явища пливучості в піщаних ґрунтах, просадкові процеси в лесах. Підземні води розчиняють такі породи як вапняки, гіпси, кам'яну сіль з утворенням великої кількості порожнин.

Наведене вказує на необхідність вивчення підземних вод і заходів боротьби з ними при будівництві різних споруд.

Наука, що вивчає походження, склад, взаємодію підземних вод з гірськими породами, динаміку підземних вод, називається гідрогеологією.

6.2. Походження підземних вод.

Підземні води тісно пов’язані з поверхневими та атмосферними. Щорічно з тропосфери на поверхню землі випадає у вигляді дощу та снігу 51200 км³ води. З цього об’єму води приблизно 100000 км³ випадає на сушу, 20000 км³ цієї води проникає (інфільтрується) в товщу гірських порід. Частина води потрапляє в ріки, моря, інша - надходить у тропосферу, випаровуючись з поверхні морів та океанів. Вода постійно поновлюється в атмосфері, морях. на суші і в ґрунті. Кругообіг води в природі відбувається приблизно за 7 діб.

Запаси підземних вод оцінюються в 60 млн. км³. За походженням підземні води поділяються на інфільтраційні, конденсаційні, ювенільні та реліктові седиментаційні (лат. sidimentum – осад).

Інфільтраційні води утворюються внаслідок просочування (інфільтрації) води з поверхні в товщі гірських порід.

Конденсаційні води формуються з водяної пари, яка знаходиться в порах гірських порід. Так утворюються підвішені горизонти під спорудами („верховодка”).

Ювенільні води виникають на значній глибині при взаємодії кисню і водню, що виділяються магмою. На поверхню Землі ювенільні води потрапляють при тектонічних процесах.

Седиментаційні підземні води утворюються в процесі діагенезу – перетворення первинних осадів у гірську породу з поступовим витисненням води. Переважно це поховані залишкові води давніх басейнів.

6.3. Види вологи в гірських породах.

За характером зв'язку з гірськими породами усі види води поділяють на зв’язану і вільну.

Зв'язана вода у свою чергу поділяється на хімічно і фізично зв'язану. Хімічно зв'язана вода - це конституційна, кристалізаційна і цеолітна.

Конституційна вода міститься у кристалічних решітках мінералів у вигляді окремих іонів водню і гідроксильних груп. Цю воду можна видалити з мінералу тільки після хімічного розпаду його при нагріванні. Мінерали з конституційною водою утворюються в земній корі лише в умовах підвищеного тиску.

Кристалізаційна вода також входить до кристалічної просторової решітки мінералу у вигляді молекул. Наприклад, гіпс CaSO₄·2H₂O, каолініт Al₂O₃·6SiO₂· 2H₂O. Цю вологу можна видобути із мінералу шляхом нагрівання (<250°С), мінерал при цьому також руйнується або переходить в інший (гіпс переходить в ангідрит CaSO₄ ). За певних умов відбувається зворотний процес.

Цеолітна вода - це різновид кристалізаційної, але зв'язана вона слабкіше і тому може поступово, самопливом видалятися з мінералу; мінерал поступово змінює свої властивості.

Фізично зв'язана вода поділяється на гігроскопічну і плівкову (див. рис. 6.3).

Гігроскопічна – це вода, що адсорбована частками породи у вигляді окремих острівців; утримується вона силами молекулярного притягання. Ця вода не може рухатися, не передає гідростатичний тиск, не має розчинних властивостей, не замерзає при низьких температурах (до -78°С). Видалити її можна тільки шляхом випаровування. Вміст гігроскопічної води у пісках не перевищує 1%, у лесах - до 8%, у глинах - до 18% і залежить від питомої поверхні та мінералогічного складу.

Плівкова вода утворює суцільну тонку ( не товще 0,001 см) плівку на поверхні часток породи поверх гігроскопічної води. Плівкова вода також утримується на поверхні часток електростатичними силами, але їх дія зменшується з віддаленням від них (рис.8). Вона має обмежену рухливість, може рухатись тільки від товщої плівки до тоншої. Плівкова вода не підкоряється силі тяжіння, не передає гідростатичного тиску, замерзає при температурі -5...-6°С. Кількість цієї води залежить також від питомої поверхні часток та мінералогічного складу. Вміст плівкової вологи у пісках не перевищує 2.7%, у глинах - досягає 45%. Найбільшу кількість гігроскопічної та плівкової води у породі називають максимальною молекулярною вологоємкістю (W_м.м.в).

Рис. 8 Схема взаємодії води з частками грунта.

Вільна вода поділяється на капілярну та гравітаційну.

Капілярна вода міститься в тонких (< 1 мм) капілярах - порах. Вона знаходиться під дією сил поверхневого натягу і рухається знизу догори, тобто, у напрямку, протилежному дії гравітаційних сил. Ця вода утворює так звану капілярну кайму, що залягає вище постійного рівня підземних вод. У пісках висота капілярного підняття складає від 15 до 100 см, у глинах - до 400 см.

Гравітаційна вода рухається під дією і в напрямку сили тяжіння в залежності від різниці рівнів (гідравлічного градієнту). Частки породи, що знаходяться у вільній воді, виважуються, частково втрачаючи свою вагу. Це явище називається гідростатичним виваженням. Крім цього, рух вільної води викликає гідродинамічний тиск, який являє собою рівнодіючу сил тиску (під час руху води) на тверді частки породи.