Учение о гидросфере

26. Генезис подземных вод. Классификация подземных вод по генезису, по условиям залегания, по минерализации, по температуре.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

По условиям образования выделяются несколько типов подземных вод: 1) инфильтрационные; 2) конденсационные; 3) седиментогенные; 4) магматогенные, или ювенильные; 5) метаморфогенные, или возрожденные.

Инфильтрационные подземные воды образуются из наземных вод атмосферного происхождения. Одним из главных видов питания их является инфильтрация, или просачивание в глубь Земли дождевых и талых атмосферных осадков. В ряде случаев в питании подземных вод принимают участие воды, фильтрующиеся из рек, озер, водохранилищ и из каналов.

Конденсационные воды образуются в результате конденсации водяных паров воздуха в порах и трещинах горных пород. Этот процесс объясняется разностью упругости водяных паров, находящихся в различных зонах аэрации, и взаимосвязанных с ними водяных паров атмосферного воздуха. Конденсация водяных паров имеет существенное значение для пустынных районов с малым количеством атмосферных осадков, где периодически возникают небольшие тонкие линзы пресных конденсационных вод, налегающих на соленые воды.

Седиментогенные подземные воды (лат. "седиментум" - осадок)- это высокоминерализованные (соленые) подземные воды в глубоких слоях осадочных горных пород. Происхождение таких вод, большинство исследователей связывают с захоронением вод морского генезиса, сильно измененных под влиянием давления и температуры. Они могут быть образованы одновременно с морским осадконакоплением, в этом случае их называют сингенетическими. Другой вариант их происхождения может быть связан с проникновением вод морских бассейнов в ранее сформированные породы, также в последующем захороненные новыми отложениями. Такие воды называют эпигенетическими (греч. "эпи"-на, после). Седиментогенные воды нередко называют "погребенными", или реликтовыми (лат. "реликтуc" - остаточный). Ряд исследователей (Н. Б. Вассоевич и др.) отводят существенную роль в формировании глубинных пластовых вод так называемым элизионным процессам (лат. "элизио" - выжимание), т. е. выжиманию под влиянием давления и температуры из иловых морских осадков седиментогенных вод в водопроницаемые песчаные и другие слои. Такие воды называются перемещенными.

Магматогенные подземные воды, образующиеся непосредственно из магмы, Э. Зюссом (1902) были названы ювенильными (лат. "ювенилис" - юный). Поступление таких вод происходит, с одной стороны, при извержении вулканов, с другой - из магматических тел, расположенных на глубине, в которых первоначально может содержаться до 7-10% воды. В процессе кристаллизации магмы и образования магматических пород вода отжимается, по разломам и тектоническим трещинам поднимается вверх, поступает в земную кору и местами выходит на поверхность. Количество магматогенных вод незначительно. К тому же они поступают на поверхность уже в смешанном виде, так как на своем пути пересекают различные горизонты подземных вод иного генезиса.

Метаморфогенные подземные воды (возрожденные, или дегидратационные) образуются при метаморфизме минеральных масс, содержащих кристаллизационную воду или газово-жидкие включения. Под влиянием температуры и давления происходят процессы дегидратации. Если они протекают длительно, то приводят к образованию капельножидкой воды, вступающей в общий геологический круговорот подземных вод.

Из рассмотренных генетических типов воды наиболее важное значение имеют инфильтрационные воды и в какой-то мере седиментогенные. Остальные разновидности представляют собой в большинстве случаев смешанные воды, доля которых в общем балансе подземных вод, по-видимому, невелика.

Классификация подземных вод по условиям залегания

По условиям залегания в земной коре подземные воды делят на воды зоны аэрации: почвенные и верховодка – и воды зоны насыщения: грунтовые и межпластовые.

Почвенные воды заключены в почве и не имеют водоупора.

Верховодка образуется на линзе водоупорных пород, распространена локально, залегает неглубоко, существует временно, малообильна. В условиях континентального климата умеренного пояса она появляется весной после снеготаяния, иногда осенью.

Грунтовые воды – воды первого от поверхности постоянного водоносного горизонта, на первом водоупорном слое. Поверхность грунтовых вод называется зеркалом грунтовых вод. Мощность водоносного горизонта – это расстояние по вертикали от зеркала грунтовых вод до водоупора. В водоносных слоях грунтовые воды передвигаются от мест с более высоким уровнем к местам с более низким уровнем, т. е. в соответствии с уклоном водоносного пласта. Скорость их движения (v) прямо пропорциональна коэффициенту фильтрации водоносной породы (k), который зависит от водопроницаемости и определяется по таблице, и уклону подземного потока (i), и вычисляется по формуле Дарси: v=k*i (см/с или м/сут.).

Схема соотношения различных типов подземных вод (по О.К. Ланге).

Области распространения и питания грунтовых вод совпадают, поэтому мощность и во-дообилие их подвержены колебаниям, зависящим от изменений климатических и метеорологических условий, а их режиму и свойствам присуши зональные черты. Зональность грунтовых вод проявляется в глубине их залегания от поверхности и соответственно в их чистоте и температуре, а также химическом составе и степени их минерализации. В зонах избыточного и достаточного увлажнения – тундре и лесах (Kув≥1) – грунтовые воды залегают неглубоко, они ультрапресные и пресные, гидрокарбонатно-кальциевые. В зонах умеренно-недостаточного (неустойчивого) увлажнения – лесостепях и степях (Kув=1,0-0,3) – залегание вод глубже, они пресные или слабо минерализованные, постепенно становятся сульфатными. В зонах недостаточного увлажнения – полупустынях (Kув=0,3-0,1) и крайне недостаточного увлажнения – пустынях (Kув<0,1) – воды глубоко залегающие, минерализованные, обычно хлоридные.

Температура грунтовых вод в сглаженном виде повторяет годовой ход температуры воздуха, но максимумы и минимумы температуры запаздывают, и тем больше, чем глубже залегают грунтовые воды. Чистота грунтовых вод определяется глубиной их залегания от поверхности – чем глубже, тем чище.

Геолого-геоморфологические условия и вещественный состав пород вносят разнообразие и обусловливают специфику грунтовых вод в пределах природных зон. Например, при глубоком и густом долинно-балочном расчленении земной поверхности воды залегают глубже. В целом же грунтовые воды относительно чистые, обычно пресные, постоянные и широко используются для хозяйственно-бытовых нужд в сельской местности.

Схема залегания и движения грунтовых вод в междуречном массиве (по Л.К. Давыдову и др.)

Межпластовые воды – это воды, заключенные между двумя водоупорными пластами, из которых нижний называется водоупорным ложем, а верхний – водоупорной кровлей. Они залегают глубже и поэтому чище, чем грунтовые. Области распространения и питания их не совпадают, в связи с чем режим вод меньше зависит от метеоусловий и у них более постоянный уровень. Атмосферное питание эти воды получают лишь в местах выхода водоносного пласта на поверхность. Они могут быть напорные и ненапорные. Ненапорные воды не полностью насыщают водоносный пласт, имеют свободную поверхность и стекают как грунтовые по уклону ложа. Напорные воды залегают в вогнутых тектонических структурах, насыщают весь водоносный слой и обладают гидростатическим напором. Вскрытые скважинами, они могут изливаться на поверхность или даже фонтанировать. Такие воды называют артезианскими. Как и грунтовые воды, межпластовые могут иметь разный химический состав и степень минерализации, которая увеличивается с глубиной.

Схема строения артезианского бассейна (по Л.К. Давыдову и др.)

По гидрогеологическим показателям подземные воды делятся на напорные (уровень устанавливается выше глубины вскрытия) и безнапорные.

По температуре подземные воды подразделяются на семь видов (табл. 16).

Таблица 16

Классификация подземных вод по температуре (по О.А. Аленину)

Вид воды

Температура воды, ~С

Исключительно холодные

(0

Весьма холодные

0-4

Холодные

4-20

Теплые

20-37

Горячие

37-42

Весьма горячие

42-100

Исключительно горячие

)100

По степени минерализации подземные воды разделяются по суммарному содержанию присутствующих в воде веществ, характеризуемому сухим остатком в граммах на 1 л воды (табл. 17).

Таблица 17

Степень минерализации подземных вод (по В.А. Приклонскому)

Вид вод

Содержание сухого остатка, г/л

Содержание ионов, мг на 100 г

Плотность, г/см

Преобладающий тип воды

Пресные

(1

До 3

1-1,0005

Гидрокарбонатно- кальциевый

Слабоминерализованные (слабосолоноватые)

1-3

3-9

1,0005-1,0015

Сульфатный, реже хлоридный

Среднеминерализованные (солоноватые и сильносолоноватые)

3-10

9-30

1,0015-1,0050

Сульфатный и хлоридный

Минерализованные (соленые)

10-50

30-150

1,0055-1,0283

То же

Рассолы

)50

)150

)1,0283

Хлоридно-натриевый

По активной реакции pH подземные воды делят на:

сильнокислые

3,5

кислые

3,5-5,5

слабокислые

5,5-6,8

нейтральные

6,8-7,2

слабощелочные

7,2-8,5

щелочные

)8,5

Общая схема классификации подземных вод приведена на рис. 3 [2].

Рис. 3. Общая схема классификации подземных вод

Каждая из приведенных классификаций подземных вод в той или иной степени используется при проектировании разведочно-добывающей скважины, так как она конкретно указывает проектировщику, на какую глубину, какой конструкции необходимо запроектировать скважину и какие насосы предусмотреть (напорные или безнапорные) в зависимости от характера вод.

В зависимости от величины сухого остатка (солесодержания), жесткости, количества железа и фтора проектировщик прежде всего предусматривает в проекте состав и вид очистки подземной воды для доведения ее до питьевого качества.