К подземным относятся все воды, находящиеся в земной коре, независимо от их агрегатного состояния.
Подземные воды формируются главным образом в результате просачивания атмосферных осадков, а также путем конденсации водяного пара, проникающего с воздухом в трещиноватые и пористые горные породы. Кроме того, существуют погребенные, или реликтовые (отлат.relictus -- оставленный), воды, сохранившиеся от древних морских бассейнов и захороненные при накоплении мощных толщ осадков, а также термальные воды, образующиеся на последних стадиях магматических процессов.
Вода в горных породах находится в разных формах: в виде свободных и сорбированных молекул водяного пара, слабо сорбированных полимолекулярных пленок, капиллярной воды и, наконец, воды, способной перемещаться под влиянием собственного веса --гравитационной воды. Перечисленные формы воды тесно связаны с разными типами пор и трещин.
Все горные породы обладают пористостью, которая измеряется отношением суммарного объема всех типов пор к общему объему породы, выраженным в процентах. Пористость горных пород колеблется от 20 до 30%.
Важным свойством горных пород является их водопроницаемость-- способность пропускать через себя воду. В горных породах наиболее активно может двигаться гравитационная вода, которая перемещается по наиболее крупным порам и трещинам. С учетом возможности ее движения выделяют водопроницаемые и водонепроницаемые породы. К первым относятся пески, галечники, трещиноватые известняки и другие породы, к водонепроницаемым -- глины и массивные кристаллические породы.
Водопроницаемая порода, содержащая воду, называется водоносным горизонтом, или коллектором, водонепроницаемая порода -- водоупорным горизонтом. Водоупорная порода, перекрывающая водоупорный горизонт сверху, называется кровлей, а подстилающая снизу -- его подошвой.
Гравитационная вода, заполняющая поры коллектора, может находиться под давлением, и тогда говорят о напорных водах, или напорных водоносных горизонтах. Если давление отсутствует, то водоносные горизонты называются не напорными. В этом случае вода может двигаться только под действием собственной тяжести. Вода, находящаяся под давлением, способна подниматься на высоту, уравновешивающую это давление (эффект сообщающихся сосудов).
Абсолютная высота подъема напорной воды называется пьезометрическим уровнем. Как правило, величина давления в водоносном горизонте обусловлена относительно высоким положением области питания горизонта. Если вскрыть такой горизонт с помощью бурения, то вода в буровой скважине поднимется до уровня, на котором расположена область питания. Такие воды получили название артезианских (по названию провинции Артуа на северо-западе Франции, где такая скважина была впервые пробурена).
Тектонический прогиб, в геологической структуре которого находится один или обычно несколько напорных водоносных горизонтов, называется артезианским бассейном.
Примером может служить Подмосковный артезианский бассейн, в кавернозных известняках каменноугольного возраста которого имеются три напорных водоносных горизонта пресной воды высокого качества, разделенных водоупорными глинами.
Верхний горизонт подземных вод называется горизонтом грунтовых вод. Этот горизонт имеет только подстилающий водоупорный слой и формируется за счет инфильтрации атмосферных осадков, которые задерживаются на водоупоре. Поэтому зеркало (верхний уровень)грунтовых вод располагается на разной глубине в зависимости от рельефа местности и количества выпадающих атмосферных осадков.
Над горизонтом грунтовых вод в период дождей или таяния снега из-за медленной фильтрации дождевых или весенних талых вод может возникнуть «висячий» (без водоупора) маломощный горизонт так называемой верховодки. Этот горизонт существует непродолжительное время в определенные сезоны года.
Подземные воды, приуроченные к системе водоносных горизонтов, разделенных слоями водоупорных пород, называются межпластовыми, или просто пластовыми. Как отмечалось ранее, они могут быть напорными и безнапорными.
В горных странах существуют трещинные воды, приуроченные к трещиноватым участкам кристаллических массивов, а также ювенильные воды, связанные с поствулканическими процессами. Источники этих вод, обогащенных разнообразными минеральными соединениями и часто обладающих повышенной радиоактивностью, как, например, источники района Минеральных Вод на Северном Кавказе, используются в лечебно-бельнеологических целях.
В тех местах, где водоносные горизонты выходят на поверхность, образуются источники. Среди них различают источники грунтовых и безнапорных межпластовых вод, которые называются нисходящими, и источники напорных вод, называющиеся восходящими.
На материках они образуют сплошную оболочку, которая не прерывается даже в областях сухих степей и пустынь. Как и поверхностные воды, они находятся в постоянном движении и участвуют в общем круговороте воды в природе.
Строительство и эксплуатация большинства наземных сооружений и всех подземных связаны с необходимостью учета движения подземных вод, их состава и состояния. От подземных вод зависят физикомеханические свойства и состояние многих горных пород. Они часто затопляют строительные котлованы, канавы, траншеи и тоннели, а, выходя на поверхность, способствуют заболачиванию территории. Подземные воды могут являться агрессивной средой по отношению к горным породам. Они выступают основной причиной многих физикогеологических процессов, возникающих в естественных условиях, в процессе строительства и эксплуатации инженерных сооружений.
Различают:
Питьевые воды - воды, по своему качеству в естественном состоянии или после обработки отвечающие нормативным требованиям и предназначенные для питьевых и бытовых нужд человека, либо для производства пищевой продукции. Этот тип вод включает также минеральные природные столовые воды, к которым относятся подземные воды с общей минерализацией не более 1 г/дм3, не требующие водоподготовки или не изменяющие после водоподготовки своего естественного состава.
Технические подземные воды - воды различного химического состава (от пресных до рассолов), предназначенные для использования в производственно-технических и технологических целях, требования к качеству которых устанавливаются государственными или отраслевыми стандартами, техническими условиями или потребителями.
Подземные воды так же подразделяют:
Подземные воды в основном образуются в результате просачивания (инфильтрации) атмосферных осадков и поверхностных вод в толщу земной коры. Вода проходит через водопроницаемые породы до водоупорного слоя и накапливается на нем, образуя подземный бассейн или поток. Такая подземная вода называется инфильтрационной . Количество инфильтрационной воды зависит от климатических условий местности, рельефа, растительности, состава пород верхней толщи, их структуры и текстуры, а также тектонического строения района. Инфильтрационные подземные воды являются самыми распространенными.
Подземная вода может образовываться также путем конденсации парообразной воды, постоянно циркулирующей в порах горных пород. Конденсационная подземная вода образуется только летом и частично весной и осенью, а зимой не образуется совсем. Конденсацией водяных паров А. Ф. Лебедев объяснял образование значительных запасов подземной воды в зонах пустынь и полупустынь, где количество выпадающих атмосферных осадков ничтожно. Конденсироваться могут не только водяные пары атмосферы, но и водяные пары, выделяющиеся из магматических очагов и других высокотемпературных зон земной коры. Такие подземные воды называются ювенильными.
Ювенильные подземные воды обычно сильно минерализованы. В ходе геологического развития в толще земной коры могут сохраняться погребенные водные бассейны. Вода, содержащаяся в осадочных толщах этих бассейнов, называется реликтовой .
Образование подземных вод представляет собой сложный процесс, начинающийся с накопления осадков и тесно связанный с геологической историей района. Очень часто подземные воды различного происхождения перемешиваются между собой, образуя смешанные по происхождению воды.
Верхнюю часть земной коры с точки зрения распространения подземных вод принято делить на две зоны: зону аэрации и зону насыщения. В зоне аэрации не всегда все поры горных пород заполнены водой. Все воды зоны аэрации питаются за счет атмосферных осадков, интенсивно испаряются и поглощаются растениями. Количество воды в этой зоне определяется климатическими условиями. В зоне насыщения, независимо от климатических условий, всегда все поры горных пород заполнены водой. Над зоной насыщения находится подзона капиллярного увлажнения. В этой подзоне тонкие поры заполнены водой, а крупные воздухом.
В зоне аэрации образуются почвенная вода и верховодка. Почвенная вода залегает непосредственно у поверхности земли. Это единственная вода, которая не имеет под собой водоупора и представлена, в основном, связанной и капиллярной водой. Почвенная вода находится в сложной взаимосвязи с животными и растительными организмами. Она отличается резкими колебаниями температуры, наличием микроорганизмов и гумуса. С почвенной водой строители сталкиваются только на заболоченных участках.
Верховодка образуется в зоне аэрации на водонепроницаемых линзах. Верховодкой также называют любые временные скопления воды в зоне аэрации. Атмосферные осадки, проникающие в эту зону, могут временно задерживаться на слабопроницаемых или уплотненных слоях. Чаще всего это происходит весной в период снеготаяния или в период обильных дождей. В засушливые периоды верховодка может исчезать.
Характерными особенностями верховодки является непостоянство существования, ограниченность распространения, малая мощность. Верховодка нередко создает затруднения для строителей, так как наличие или возможность ее образования не всегда устанавливается при инженерно геологических изысканиях. Образовавшаяся верховодка может вызывать подтопление инженерных сооружений, заболачивание территорий.
Грунтовой называется вода, залегающая на первом от поверхности земли постоянном водоупорном слое. Грунтовые воды существуют постоянно. Они имеют свободную водную поверхность, называемую зеркалом грунтовых вод, и водоупорное ложе. Проекция зеркала грунтовых вод на вертикальную плоскость называется уровнем грунтовых вод (У Г В). Расстояние от водоупора до уровня грунтовых вод называется мощностью водоносного горизонта.
Уровень грунтовых вод, а, следовательно, и мощность водоносного горизонта -- величины непостоянные и могут меняться в течение года в зависимости от климатических условий. Питание грунтовых вод происходит в основном за счет атмосферных и поверхностных вод, но они могут быть и смешанными, инфильтрационно-конденсационными. Участок поверхности земли, с которого поверхностная и атмосферная вода поступает в водоносный горизонт, называется областью питания грунтовых вод. Область питания грунтовых вод всегда совпадает с областью их распространения. Грунтовые воды в силу наличия свободной водной поверхности являются безнапорными, т. е. уровень воды в скважине устанавливается на той же отметке, на которой встречена вода.
В зависимости от условий залегания грунтовых вод различают грунтовые потоки и бассейны. Грунтовые потоки имеют наклонное зеркало и находятся в непрерывном движении в сторону уклона водоупора. Грунтовые бассейны имеют горизонтальное зеркало и встречаются гораздо реже.
Грунтовые воды, находясь в постоянном движении, имеют тесную связь с поверхностными водотоками и водоемами. В районах, где атмосферные осадки преобладают над испарением, грунтовые воды обычно питают реки. подземный питьевой водоносный артезианский
В засушливых районах очень часто вода из рек поступает в грунтовые воды, пополняя подземные потоки. Может существовать и смешанный тип связи, когда с одного берега грунтовые воды питают реку, а с другого -- вода из реки поступает в грунтовый поток. Характер связи может меняться в зависимости от климатических и некоторых других условий.
При проектировании и строительстве инженерных сооружений необходимо учитывать режим грунтовых вод , т. е. изменение во времени таких показателей, как колебания уровня грунтовых вод, температуры и химического состава. Наибольшим изменениям подвержены уровень и температура грунтовых вод. Причины этих изменений очень разнообразны и нередко непосредственно связаны со строительной деятельностью человека. Климатические факторы вызывают как сезонные, так и многолетние изменения уровня грунтовых вод. Паводки на реках, а также водохранилища, пруды, системы орошения, каналы, дренажные сооружения ведут к изменению режима грунтовых вод.
Положение зеркала грунтовых вод на картах изображается с помощью гидроизогипс и гидроизобат. Гидроизогипсы -- линии, соединяющие точки с одинаковыми абсолютными отметками уровня грунтовых вод. Эти линии аналогичны горизонталям рельефа и подобно им отражают рельеф зеркала грунтовых вод. Карта гидроизогипс используется для определения направления движения грунтовых вод и для определения значения гидравлического градиента.
Направление движения грунтовых вод всегда перпендикулярно гидроизогипсам от более высоких отметок к более низким. Направления, по которым передвигаются грунтовые воды при установившемся неизменяющемся во времени движении, называются линиями тока. Если линии тока параллельны между собой, то такой поток называется плоским. Поток также может быть сходящимся и расходящимся. Чем меньше расстояние между гидроизогипсами, тем больше гидравлический градиент грунтового потока. Гидроизобаты -- линии, соединяющие точки с одинаковой глубиной залегания грунтовых вод.
Межпластовыми подземными водами называются водоносные горизонты, залегающие между двумя водоупорами. Они могут быть не напорными и напорными.
Межпластовые не напорные воды встречаются редко. По характеру движения они аналогичны грунтовым водам. Межпластовые напорные воды называются артезианскими. Залегание артезианских вод весьма разнообразно, но наиболее часто встречаются синклинальное.
Артезианская вода всегда заполняет весь водоносный горизонт от подошвы до кровли и не имеет свободной водной поверхности. Область распространения одного или нескольких уровней артезианских водоносных горизонтов называют артезианским бассейном. Площади артезианских бассейнов огромны и измеряются десятками, сотнями, а иногда и тысячами квадратных километров.
В каждом артезианском бассейне различают области питания, распространения и разгрузки. Область питания артезианских бассейнов обычно располагается на больших расстояниях от центра бассейна и на более высоких отметках.
Она никогда не совпадает с областью их распространения, которую иногда называют областью напоров. Артезианские воды испытывают гидростатическое давление, обусловленное разностью отметок области питания и области разгрузки, по закону сообщающихся сосудов. Уровень, на котором устанавливается артезианская вода в скважине, называется пьезометрическим.
Положение его определяется пьезометрической линией , или линией напоров, условной прямой линией, которая соединяет область питания с областью разгрузки. Если пьезометрическая линия проходит выше поверхности земли, то при вскрытии водоносного горизонта скважинами будет происходить фонтанирование, а напор называется положительным.
Когда пьезометрический уровень расположен ниже поверхности земли, то напор называется отрицательным, а вода из скважины не выливается. Артезианские воды, как правило, более минерализованы и меньше связаны с поверхностными водотоками и водоемами, чем грунтовые воды.
Трещинными водами называются подземные воды, приуроченные к трещиноватым магматическим, метаморфическим и осадочным породам. Характер их движения определяется размером и формой трещин. Трещинные воды могут быть не напорными и напорными. Они непостоянны и могут менять характер движения. Размыв и растворение горных пород приводят к расширению трещин, а кристаллизация солей и накопление осадков -- к их сужению. Расход трещинных вод может достигать 500 м3/ч. Трещинные воды создают значительные трудности при строительстве подземных сооружений.
Условия формирования грунтовых вод в значительной степени предопределены фильтрационными свойствами пород, которые характеризуют их способность пропускать через себя воду.
Степень водопроницаемости грунтов характеризуют коэффициентом фильтрации Кф. Он выражает скорость фильтрации в м/сут или м/с при гидравлическом уклоне t = 1. Породы, для которых значения К ф - меньше 0,1 м/сут, условно считают водоупорными, поскольку в отличие от водопроницаемых они практически не поддаются дренированию обычными способами (см. табл 5.1).
Фильтрационные свойства грунтов зависят от их гранулометрического состава и пористости. Чем крупнее зёрна грунта и, следовательно, поры между ними, тем выше водопроницаемость.
В несвязанных грунтах может происходить движение воды не только за счёт гравитационных сил (фильтрация), а и капиллярных. В этом случае грунтовые воды подтягиваются вверх по тонким пустотам, и происходит увлажнение верхних слоев грунта за счёт водоносных нижних. Это свойство грунтов характеризуют максимальной высотой капиллярного поднятия (см. табл.5.2)
2.2.Образование и формирование подземных вод
Подземные воды образуются в результате просачивания (инфильтрации) атмосферных осадков в грунт, а также конденсации водяных паров в их порах и пустотах. Водоносные горизонты формируются между водоупорными слоями, создавая различные по степени насыщения и видам водного питания зоны.
Рис. 14. Схема формирования подземных вод
I - зона аэрации; 2 - зона насыщения (водоносный слой);
3 - водоупорный слой; 4 - водоупор.
а - верховодка и подвешенные воды; б - грунтовые воды; в - межпластовые воды.
Самая верхняя зона аэрации - служит своеобразным "буферным" слоем между грунтовыми водами и дневной поверхностью, регулируя поступление воды из атмосферы в водоносный пласт и аккумулируя в нижней своей части капиллярные воды, гидравлически связанные с водоносным слоем. Атмосферные осадки с поверхности земли проникают в эту зону, главным образом за счёт свободного просачивания. Наибольшее количество влаги в зоне аэрации скапливается веской после снеготаяния, а летом она частично испаряется, транспортируется растениями или просачивается в нижележащие слои, где и формируются водоносные горизонты.
Верховодка и подвешенные воды образуются, когда в водопроницаемых грунтах имеются отдельные водоупорные линзы или же когда слабо-водопроницаемые грунты не успевают пропускать поступающую сверху влагу, эти воды характеризуются невыдержанным распространением, резко изменяющимся по времени уровнем и могут полностью исчезнуть с прекращением питания.
Верховодка постепенно стекает с водоупорной линзы, питая залегающий ниже водоносный горизонт, а подвешенные воды, которые удерживаются в маловодопроницаемых прослойках только силой капиллярного натяжения, беспрепятственно просачиваются в водопроницаемый слой.
Несмотря на эпизодическое присутствие в грунтах, верховодка и подвешенные воды, близко расположенные к поверхности земли, вызывают в ряде случаев заболачивание территории и подтопление подземных сооружений.
Грунтовые воды являются первым от поверхности земли постоянно существующим водоносным горизонтом и залегают на выдержанном по площади водоупорном слое. Область их питания совпадает с областью распространения. Залегая не глубоко от поверхности земли, эти воды наиболее часто служат причиной подтопления городских территорий.
Me жпластовые воды отделены от дневной поверхности водоупорным слоем и имеют несовпадающие области питания и распространения, а также участки выхода водосодержащего пласта на поверхность земли (зона естественного дренирования). Если эти воды залегают на сравнительно небольших глубинах, то они могут явиться причиной подтопления локальных участков у подножия склонов или более обширных площадей при грунтово-напорном питании верхнего водоносного пласта.
Подземные воды могут быть безнапорными, если они имеют свободную поверхность, и напорными, при наличии водоупорной кровли. Напорные воды находятся под гидростатическим давлением и выходят на поверхность в местах пересечения водоносного горизонта реками, оврагами или искусственными выемками (эти воды называют артезианскими).
Поверхность грунтовых вод отображается на карте гидроизогипсами и гидроизобатами (см. рис 15).
Рис.15. Гидроизогипсы и гидроизобаты на участке подтопляемой территории
Гидроизогипсы - линии равнозначных отметок уровня грунтовых вод.
Гидроизобаты - линии равнозначных глубин заложения грунтовых вод.
Объем подземных вод превосходит объем поверхностных вод суши. Вода в земной коре может находиться не только в жидком состоянии, но также газообразном и в виде льда. В лед вода превращается в промерзших горных породах.
Причина образования подземных вод - это просачивание через породы земной коры атмосферных осадков. Есть горные породы, которые пропускают воду, а есть те, которые ее не пропускают. Первые называются водопроницаемыми, а вторые водоупорными.
Выпавшая на поверхность земли дождевая вода просачивается через водопроницаемые слои до тех пор, пока не встретит водоупорный слой. В результате чуть выше водоупорного слоя горные породы насыщаются водой и превращаются в водоносные породы.
Пропускающими воду породами являются песок, галька, гравий, известняк, песчаник, сланец. Эти породы либо рыхлые, либо имеют трещины. Водоупорными являются глины и твердые породы, в которых нет трещин.
Вода под землей течет так, как наклонена поверхность - с более высоких мест в более низкие.
Подземные воды бывают грунтовыми и межпластовыми. Грунтовые воды находятся ближе к поверхности земли, сразу под водопроницаемыми слоями. Межпластовые слои располагаются глубже, между водоупорными слоями. Вода сюда попадает в тех местах, где их водоносные слои выходят на поверхность. Так например бывает в руслах рек.
Подземные воды образуются большей частью путем инфильтрации атмосферных осадков, а частично путем конденсации из воздуха, при понижении температуры воздуха, находящегося в порах пород, до точки росы. Часть подземных вод, будучи захороненном в порах осадочных толщ, образуется одновременно с осаждением терригенных материалов на дне водоемов; эти воды называются седиментационными.
Первоначально, по мнению большинства исследователей, вода па земле образовалась из магмы; в процессе ее охлаждения и кристаллизации наряду с твердыми и газообразными компонентами выделялась также вода в виде пара, конденсировавшегося затем и жидкое состояние. И в настоящее время при вулканических извержениях в составе летучих преобладает вода в парообразном состоянии. Подземная вода, образующаяся из магмы, называется ювенильной.
В круговороте воды на земле наиболее активно участвуют воды инфильтрацнонного и в меньшей мере конденсационного происхождения; седиментационные воды, входящие в состав древних осадочных толщ, могут включаться в общий круговорот в результате геологических процессов (сжатия в складки, разрушения вышележащих толщ, образования трещин и т. п.) и время их круговорота измеряется геологическими масштабами времени. Еще меньше доля участия в общем круговороте ювенильных вод.
В местах залегания месторождений полезных ископаемых подземные воды образуются преимущественно путем инфильтрации. Об этом свидетельствует наблюдаемое почти во всех шахтах и рудниках увеличение притоков воды в горные выработки в весеннее время, и после выпадения дождей, хотя и с некоторым запаздыванием.
§ 5. Классификация подземных вод
Единой общепринятой классификации подземных вод не существует. Это объясняется тем, что подземные воды залегают в земной коре в самых разнообразных геологических условиях, физические свойства их и химический состав чрезвычайно разнообразны, требования к подземным водам при их эксплуатации неодинаковые.
В основу классификации подземных вод могут быть положены различные признаки: способ образования, условия залегания, гидравлические свойства, литологический состав водоносных пород, их возраст, физические свойства подземных вод, их химический состав и др.
По условиям образования подземные воды подразделяются па различные группы, из которых важнейшее значение имеют воды инфильтрационные и частично конденсационные.
По условиям залегания и характеру вмещающих горных пород подземные воды делятся на следующие типы: 1) паровые воды, залегающие и циркулирующие в порах горных пород, которые слагают самую поверхностную часть земной коры; 2) пластовые воды, залегающие и циркулирующие з порах или трещинах осадочных горных пород, перекрываемых и подстилаемых водоупорными породами; эти воды подразделяются на порово-пластовые и трещинно-пластовые; 3) трещинные воды, циркулирующие в скальных (магматических, метаморфических и осадочных) породах, пронизанных равномерной трещиноватость; 4) карстовые воды, циркулирующие в массивах карбонатных, гипсоносных и соленосных раскарстованных пород; 5) трещинно-жильные воды, циркулирующие в отдельных тектонических трещинах и в зонах тектонических разломов.
По гидравлическим свойствам подземные воды делятся на безнапорные, или воды со свободной поверхностью, и напорные, когда водоносный горизонт перекрыт сверху водоупорной породой и находящаяся в нем подземная вода испытывает гидростатическое давление, обусловливающее напор.
В зависимости от возраста водовмещающих пород подземным водам присваивается соответствующее наименование, например: воды каменноугольных отложений, юрских, меловых, третичных и т. п.
По температуре подземные воды подразделяются на холодные (с температурой ниже 20° С), теплые (20 - 37° С), горячие (37 - 42 и очень горячие (термы, с температурой более 42° С).
По степени минерализации, или по содержанию растворенных солей, подъемные воды, согласно В. И. Вернадскому, подразделяются на пресные (содержащие до 1 г/л растворенных веществ), солоноватые (1 - 10 г/л), соленые (10 - 50 г/л) и рассолы (свыше 50 г/л). В практике существенное значение при характеристике и оценке подземных вод имеет не только общее содержание растворенных солей, но и их состав. В зависимости от преобладания растворенных в воде солей различают воды гидрокарбонатные, сульфатные и хлоридные, а по катионам - кальциевые, магниевые и натриевые.
Помимо солей в подземных водах всегда содержатся различные газы - углекислота, азот, сероводород и др., часто имеющие большое практическое значение. В зависимости от растворенного в воде газа различают углекислые, сероводородные, радоновые и другие виды подземных вод. В большинстве случаев подобные воды имеют лечебное значение (углекислые воды Кисловодска, сероводородные воды Мацесты, радоновые воды Цхалтубо и др.). Подземные воды, обладающие теми или иными лечебными свойствами, называются бальнеологическими.
Подземные воды, содержащие в растворенном виде промышленные концентрации тех или иных элементов, называются промышленными. Различают йодные, бромо-йодные, бромные и другие воды.
Среди вод суши наибольшие запасы приходятся на подземные воды, общие запасы которых составляют 60 млн км 3 . Подземные воды могут находиться в жидком, твердом, парообразном состоянии. Они располагаются в почве и в горных породах верхней части земной коры.
Способность горных пород пропускать воду зависит от размеров и количества пор, пустот, трещин.
По отношению к воде все горные породы подразделяют на три группы: водопроницаемые (хорошо пропускают воду), водонепроницаемые (задерживают воду) и растворимые.
Растворимые породы - это калийная и поваренная соли, гипс, известняк. Когда подземные воды растворяют их, на глубине образуются большие пустоты, пещеры, воронки, колодцы (это явление называется карстом).
Водопроницаемые породы можно подразделить на две категории: проницаемые во всей их массе (однородно проницаемые) и относительно проницаемые (полупроницаемые). Примерами хорошо проницаемых горных пород служат галечники, гравий, песок. К полупроницаемым относятся мелкозернистый песок, торф и др.
Кроме этого, водопроницаемые породы могут быть влагоемкими и не влагоемкими.
Невлагоемкие породы - это горные породы, которые свободно пропускают воду, не насыщаясь ею. Это, например, пески, галечник и др.
Влагоемкие - это горные породы, которые удерживают в себе какое-то количество воды (например, один кубический метр торфа удерживает свыше 500 л воды).
К водонепроницаемым горным породам относятся глины, массивные кристаллические и осадочные породы. Однако эти породы могут быть разбиты трещинами и в естественных условиях стать проницаемыми.
Слои водонепроницаемых пород, над которыми залегают водоносные породы, называют водоупорными.
На водоупорных породах просачивающаяся вниз вода задерживается и заполняет промежутки между частицами вышележащей водопроницаемой породы, образуя водоносный горизонт.
Слои водопроницаемых пород, которые содержат воду, называются водоносными.
На равнинах, сложенных осадочными горными породами, обычно чередуются водопроницаемые слои и водоупорные.
Подземные воды залегают слоями (рис. 1). Их можно разделить на три горизонта:
- Верхний горизонт — это пресные воды, залегающие на глубине от 25 до 350 м.
- Средний горизонт - воды, залегающие на глубине от 50 до 600 м. Они обычно минеральные, или соленые.
- Нижний горизонт — вода, нередко погребенная, в высокой степени минерализованная, представлена рассолами. Залегает на глубине от 400 до 3000 м.
Глубокие горизонты вод могут быть ювенильным и (магматического происхождения) или реликтовыми. Вода нижних горизонтов в большинстве случаев образовалась в период формирования заключающих их осадочных пород.
По условиям залегания подземные воды подразделяют на почвенные, верховодку и воды насыщения — грунтовые и межпластовые (рис. 2).
Почвенные воды и верховодка
Почвенные воды заполняют часть промежутков между частицами почвы. Они необходимы для нормальной жизни растений.
Верховодка залегает неглубоко, существует временно, малообильна. В наших климатических условиях она появляется весной после таяния снега, иногда осенью.
Рис. 1. Слои подземных вод
Рис. 2. Виды вод по условиям
Грунтовые воды
Грунтовые воды образуют водоносный горизонт на первом от поверхности водоупорном слое. Поверхность грунтовых вод называется зеркалом грунтовых вод. Расстояние от зеркала грунтовых вод до водоупорного слоя называют мощностью водоупорного слоя.
Грунтовые воды питаются просочившимися атмосферными осадками, водами рек, озер, водохранилищ.
В связи с неглубоким залеганием от поверхности уровень грунтовых вод испытывает значительные колебания по сезонам года: он то повышается после выпадения осадков или таяния снега, то понижается в засушливое время. В суровые зимы грунтовые воды могут промерзать.
Так как глубина залегания грунтовых вод определяется прежде всего климатическими условиями, в разных природных зонах она различна. Так, в тундре уровень грунтовых вод практически совпадает с поверхностью, а в полупустынях находится на глубине 60-100 м, причем не повсеместно, и эти воды не обладают достаточным напором.
Большое влияние на глубину залегания грунтовых вод оказывает степень расчлененности рельефа территории. Чем она сильнее, тем глубже находятся грунтовые воды.
Грунтовые воды значительно подвержены загрязнению.
Межпластовые воды
Межпластовые воды — нижележащие водоносные горизонты, заключенные между двумя водоупорными слоями. В отличие от грунтовых уровень межпластовых вод более постоянен и меньше изменяется во времени. Межпластовые воды более чистые, чем грунтовые.
Особую группу подземных вод составляют напорные межпластовые воды. Они полностью заполняют водоносный горизонт и находятся под давлением. Напором обладают все воды, заключенные в слоях, залегающих в вогнутых тектонических структурах.
Вскрытые скважинами и поднимающиеся вверх, они изливаются на поверхность или фонтанируют. Так устроены артезианские колодцы (рис. 3).
Рис. 3. Артезианский колодец
Химический состав подземных вод неодинаков и зависит от растворяемости прилегающих пород. По химическому составу различают пресные (до 1 г солей на 1 л воды), слабоминерализованные (до 35 г солей на 1 л воды) и минерализованные (до 50 г солей на 1 л воды) подземные воды. При этом верхние горизонты подземных вод обычно пресные или слабоминерализованые, а нижние горизонты могут быть сильноминерализованными. Минеральные воды по своему составу могут быть углекислыми, щелочными, железистыми и т. д. Многие из них имеют лечебное значение.
Температура подземных вод
По температуре подземные воды подразделяются на холодные (до +20 °С) и термальные (от +20 до +1000 °С). Термальные воды обычно отличаются высоким содержанием различных солей, кислот, металлов, радиоактивных и редкоземельных элементов.
Естественные выходы подземных вод (обычно грунтовых) на поверхность земли называется источниками (родниками, ключами). Они образуются обычно в пониженных местах, где земную поверхность пересекают водоносные горизонты.
Источники бывают холодными (с температурой воды не выше 20 °С), теплыми (от 20 до 37 °С) и горячими, или термальными (свыше 37 °С). Периодически фонтанирующие горячие источники называются гейзерами. Они находятся в областях недавнего или современного вулканизма (Исландия, Камчатка, Новая Зеландия, Япония).
Значение и охрана подземных вод
Подземные воды имеют большое значение в природе: являются важнейшим источником питания , болот; растворяют различные вещества в породах и переносят их; при их участии формируются карстовые и оползневые формы рельефа; при близком залегании к поверхности могут вызывать процессы заболачивания; снабжают растения влагой и растворенными в них элементами питания и т. д. Они широко используются человеком: являются источниками чистой питьевой воды; применяются для лечения целого ряда заболеваний человека; обеспечивают производственный процесс водными ресурсами; используются для орошения полей; из термальных вод получают большое количество различных химических веществ (йод, гауберову соль, борную кислоту, различные металлы); тепловая энергия подземных вод может служить для обогрева зданий, теплиц, получения электроэнергии и др.
На сегодняшний день во многих регионах состояние подземных вод оценивается как критическое и имеющее опасную тенденцию дальнейшего ухудшения. Несмотря на то что запасы подземных вод велики, возобновляются они крайне медленно, и это необходимо учитывать при их расходовании. Не менее важна и охрана подземных вод от загрязнений.
Подземные воды (причем не только поверхностные, но и глубинные) вслед за другими элементами окружающей среды испытывают загрязняющее влияние хозяйственной деятельности человека: от предприятий гор но-добываю щей промышленности, хранилищ химических отходов и удобрений, свалок, животноводческих комплексов, населенных пунктов и др. Среди загрязняющих подземные воды веществ преобладают: нефтепродукты, фенолы, тяжелые металлы (медь, цинк, свинец, кадмий, никель, ртуть), сульфаты, хлориды, соединения азота. Площади очагов загрязнения подземных вод достигают сотен квадратных километров. Происходит ухудшение качества питьевой воды.