Глава 9 подземные воды

Подземные воды определяют многие особенности природных условий области, оказывая влияние на речной сток, образование и развитие болот, формирование отдельных типов почв. С ними связаны изменения в гид­рохимическом режиме водных объектов, развитие оползневых, суффози-онных и карстовых процессов, глубина, интенсивность промерзания и от­таивания почв. Подземные воды являются одними из наиболее ценных природных ресурсов области, роль которых в водоснабжении населения исключительно велика.

Природные особенности области в целом благоприятны для накопле­ния подземных вод. Этому способствуют достаточно высокая инфильтра­ция влаги во многих местоположениях и горизонтах пород, наличие се­зонов и периодов, когда количество выпадающих осадков намного превышает испарение. Из общего годового количества осадков на пита­ние подземных вод в области расходуется не менее 200-250 мм.

Питание подземных вод существенно определяется особенностями рельефа и характером слагающих пород. Геоморфологические условия области сравнительно благоприятны для их формирования. Пополнению их запасов способствуют: общая относительная равнинность территории; наличие многочисленных понижений, где происходит скопление поверх­ностных вод, преобладание пологих склонов, слабое эрозионное расчлене­ние многих водораздельных территорий. Поверхностные отложения во многих местах представлены хорошо водопроницаемыми породами. Наи­более распространены такие породы в пределах зандровых, озерно-ледни-ковых равнин, в долинах рек, в краевых образованиях ледников. В тол­ще осадочных пород области немало водоносных горизонтов, способных вмещать огромное количество свободной (гравитационной) воды.

Основные особенности гидрогеологических условий Смоленской области

Большая часть территории Смоленской области располагается в периферической зоне западного склона Московского артезианского бассейна. Южная ее часть входит в зону северного склона Днепровско-Донецкого артезианского бассейна. Подземный сток вод коренных от­ложений, согласно уклону пластов, в основном питает эти бассейны. По мнению Е. Я. Шабловского [35], не исключено, что, благодаря за-карстованности и трещиноватости карбонатных толщ коренных пород, разгрузка находящихся в них вод может происходить и в сторону При­балтийского артезианского бассейна. Территория области является, та­ким образом, не только водоразделом крупных речных систем, но и зоной распределения подземного стока в различные крупные артези­анские бассейны.

Основная часть подземных вод заключена в толще коренных отло­жений, представленных на территории области рифейской, кембрий­ской, девонской, каменноугольной, юрской, меловой и третичной систе­мами. В их составе преобладают известняки, доломиты, мергели, мел, опоки, песчаники и разной зернистости пески, т. е. породы, обладаю­щие, как правило, высокой водопроницаемостью и значительной водо-вместимостью. Общая мощность коренных осадочных пород достигает 800-1200 м и более.

Отложения четвертичного периода, мощность которых составляет в среднем 40—50 м, достигая в ряде мест 150 м и более, содержат так­же практически повсеместно слои пород, способные накапливать зна­чительное количество воды. Эти слои представлены обычно песчано-гравийным материалом и различной зернистости песками.

Глины в толще отложений всех систем образуют как местные, так и сплошные водоупоры, разделяя водоносные комплексы на самостоя­тельные горизонты и подгоризонты.

Накопление подземных вод и их сток в толще осадочных пород всех систем зависят прежде всего от особенностей распределения по­род, обладающих различными свойствами, условиями залегания водо­носных и водоупорных пластов. Характерной чертой геологического строения территории области является отсутствие в верхней толще оса­дочных пород, включающей четвертичные, третичные, меловые, юр­ские, каменноугольные отложения и часть подстилающих их отложе­ний верхнего девона, сплошных глинистых водоупоров. Водоупоры имеют в этой толще лишь локальное распространение. Благодаря это­му водоносные комплексы в этой толще осадочных пород взаимосвяза­ны между собой. Так как они объединены условиями питания, то име­ют и сходный состав воды.

Пространственная невыдержаность водоупоров, залегающих на раз­ной глубине верхней толщи осадочных пород, способствует широкому распространению «окон» поглощения и фильтрации, стекающих по по­верхности вод вглубь. Неразрывность связи водоносных горизонтов верх­ней толщи девона и кроющих их пород обуславливает не только постоян­ный водообмен поверхностных, грунтовых и межпластовых вод, но и влияет на скорость выщелачивания водорастворимых минералов и их вынос. Все это привело к формированию в данной толще осадочных по­род постоянно возобновляющихся пресных вод.

Отложения девонской и каменноугольных систем имеют в целом хорошо выраженное плавное падение к востоку - северо-востоку в Мос­ковскую впадину с уклоном 1-2 м/км. Юрские и меловые отложения имеют падение пластов к югу и юго-западу с уклоном 2—3 м/км. Сток подземных вод в этих отложениях имеет в связи с этим хорошо выра­женную направленность, что не характерно для стока подземных вод в залегающих над ними водоносных горизонтах.

Сток подземных вод в четвертичных отложениях определяется в некоторой степени уклонами поверхности коренных пород. Поверх­ность их неровная, сильно размыта, приподнята в целом в центральной и восточной частях. Ближе к дневной поверхности в движении подзем­ных вод четвертичной толщи усиливается роль гидрографической сети. Но дренирование водоносных горизонтов четвертичной толщи реками обычно хорошо выражено лишь в среднем и нижнем их течениях.

Рассмотренную толщу осадочных отложений с прерывистостью во­доупорных горизонтов, обеспечивающей инфильтрацию атмосферных осадков и водообмен между водоносными комплексами, выделяют как зону активного водообмена. Глубина ее на территории области изме­няется на водоразделах с запада на восток в основном от 100—150 до 250—300 м. И лишь на северо-западе области эта зона распространяет­ся до глубины 30—40 м.

Все инфильтрационно связанные между собой водоносные гори­зонты этой зоны содержат воды гидрокарбонатного класса кальци­евой группы с минерализацией, не превышающей обычно 1 г/л. Об­щая жесткость их редко превышает 7-8 мг-экв. По содержанию основных компонентов (НС03 , S04 \ C1~, Ca' +, Mg" ') наблюдается небольшая сезонная изменчивость. Отмечается постепенное нараста­ние содержания их в воде и с увеличением глубины залегания во­доносных горизонтов. Водообилие водоносных горизонтов этой зоны зависит от степени их дренированности, пористости, трещиновато-сти, мощности пластов и условий их залегания. Водообилие водо­носных горизонтов обычно нарастает с глубиной. Так, межморенный и подморенный водоносные горизонты более обильны по сравнению с грунтовыми водами в надморенных отложениях. Меловые и ка­менноугольные водоносные горизонты обильнее третичных и четвер­тичных. Наиболее водообильны в этой зоне горизонты верхнедевон­ского водоносного комплекса.

С глубиной чаще встречаются водоносные горизонты с напорными водами, а также увеличивается напор воды в них. В целом зона актив­ного водообмена включает более 30 водоносных горизонтов безнапор­ных, слабо- и высоконапорных вод.

Годовая амплитуда колебания температуры подземных вод этой зоны заметно выражена обычно до глубины 25-30 м, где она изменя­ется от 1,5 до 3°С. Среднегодовая их температура составляет 6—8°С. На глубине 30-35 м, а иногда и глубже, амплитуда температуры вод изменяется в пределах 3-Г'С, среднегодовая температура составляет здесь 5-6° С. На глубине от 50 до 200 м температура вод находится в пределах 7-10°С.

Ниже зоны активного водообмена находится зона замедленного во­дообмена. Для этой зоны характерны солоноватые и соленые воды, в вер­хней части сульфатно-хлоридные и хлоридно-сульфатные с относительно высоким содержанием всех основных катионов - кальция, магния и на­трия. В нижней части этой зоны распространены воды хлоридного клас­са, в катионном составе которых преобладают натрий и калий. Содержа­ние солей варьирует в больших пределах от 2,0-2.5 до 50-55 г/л.

Эта зона приурочена к основной толще девонских пород, мощность которой изменяется в широких пределах - от 160-180 м на западе до 470—520 м на востоке области. Нижний водоупорный слой ее представ­лен глинистыми сланцами, залегающими на глубине 475-825 м. В толще пород этой зоны преобладают известняки, доломиты, песчаники и пески. Водоупорные породы, представленные глинами, локальны и не отлича­ются значительной мощностью. Однако их наличие обуславливает гид­рохимическую обособленность верхней и нижней частей этой зоны, в свя­зи с чем соленость их заметно различается. В верхней части мощностью от 130 до 255 м соленость колеблется в основном от 2,5 до 5 г/л, в нижней — от 10 до 55 г/л. В основном столь существенные изменения солености по глубине позволили Е.А. Шабловскому разделять эту зону на две самосто­ятельные зоны [35]. Температура воды в пределах рассматриваемой зоны изменяется по глубине незначительно - от 10-12°С до 15-18°С. Насы­щение вод этой зоны солями произошло в результате выщелачивания кристаллов соли, включенных в сульфатно-доломитовые слои пород. Кроме значительного содержания ряда основных компонентов, воды этой зоны богаты отдельными микроэлементами - бромом, йодом, бо­ром, стронцием. Состав солей и наличие микроэлементов определяют бальнеологические свойства этих вод.

Нижнюю зону застойных (реликтовых) вод образуют хлоридно-натриевые воды высокой минерализации (рассолы). Залегают они в са­мых низких участках основания осадочного чехла, где наиболее распрос­транены сульфатно-галогенно-карбонатные породы среднего девона, песчаники нижнего кембрия и верхнего протерозоя. Общая мощность этой зоны колеблется от 500 до 680 м.

Зона изолирована водоупорным слоем от расположенных выше во­доносных герцинидов. Высокая насыщенность хлористым натрием вод этой зоны связана с наличием здесь мощных залежей каменной соли (до 30—50 м и более). Пластовые залежи соли распространены, по всей видимости, на широком пространстве северо-восточной части Смоленской области и смежных районов Тверской области.

Общая минерализация воды в этой зоне колеблется от 80 г/л б верхней части до 130—220 г/л в нижней. Среди основных компонентов преобладают хлор, натрий, калий. Из микроэлементов в значительных количествах содержатся бром, йод, бор.

Температура воды этой зоны изменяется от 15 до 22'С. Рассолы имеют бальнеологическое и промышленное значение.

Наиболее изучены подземные воды первой из рассмотренных зон и особенно грунтовые и межпластовые воды четвертичного комплек­са. Пресные воды этой зоны имеют наибольшее хозяйственное значе­ние в связи с тем, что они повсеместно используются для водоснаб­жения населения питьевой водой, а также в значительной степени для технических нужд. С этими водами связаны и многие процессы, про­текающие в ландшафтах.