Все воды, находящиеся в порах и трещинах горных пород ниже поверхности Земли, относятся к подземным водам. Часть этих вод свободно перемещается в верхней части земной коры под действием гравитационных сил, а другая часть находится в очень тонких порах, удерживаясь силами поверхностного натяжения. Подземные воды не могут существовать без обмена с поверхностной водой и активно участвуют в круговороте воды в природе. Все, что связано с подземной водной оболочкой, включая теоретические и особенно прикладные аспекты, изучает наука гидрогеология. В наше время пресная вода стала важнейшим полезным ископаемым.
Структура и свойства воды определяются строением ее молекулы — Н2О в виде тетраэдра, в центре которого находится атом кислорода. На концах одного из ребер тетраэдра расположены два положительных заряда ядер атомов водорода, что составляет гидроль, или элементарную дополнительную структурную единицу воды. Гидроли могут объединяться. Так, для льда устойчивой структурой будет тетраэдр, состоящий из гидролей. Гексагональная решетка льда, состоящая из связанных между собой тетраэдров, очень рыхлая, поэтому увеличение температуры приводит к нарушению и так непрочных связей решетки и некоторые гидроли как бы падают внутрь решетки, которая разрушается на отдельные массивы и наконец превращается в пресную воду, обладающую наибольшей плотностью при Т = +4 °С.
7.1. Виды воды в горных породах
Вода в горных породах бывает нескольких видов.
1. Кристаллизационная вода находится в составе кристаллической решетки некоторых минералов, например в гипсе — CaSO4 ⋅ 2H2O (~21 % воды по массе), мирабилите Na2SO4 ⋅ 10H2O (~56 % воды по массе). Если эти минералы нагревать, то вода высвобождается из кристаллической решетки. Так, гипс потеряет одну молекулу воды при +107 °С, а вторую — при +170 °С, после чего он превращается в ангидрит — CaSO4.
2. Вода в твердом виде встречается в многолетнемерзлых породах в виде кристаллов и прожилок льда. Лед образуется и при сезонном промерзании воды, содержащейся в горных породах.
3. Вода в виде пара содержится в воздухе, который находится в порах горной породы.
4. Прочносвязанная вода располагается в виде молекулярной прерывистой пленки на поверхности мельчайших частиц таких пород, как глины и суглинки. Эта пленка удерживается силами молекулярного сцепления и не может стечь с поверхности частицы (рис. 7.1).
Рис. 7.1. Типы воды:
1 — прочносвязанная, 2 — рыхлосвязанная, 3 — гравитационная
5. Рыхлосвязанная вода представляет собой более толстую пленку из нескольких слоев молекул воды на частице породы. Эта вода обладает способностью перемещаться от более толстой пленки к менее толстой.
6. Капельно-жидкая (гравитационная) вода уже обладает способностью свободно перемещаться в горной породе по трещинам и порам под действием силы тяжести, начиная с верхнего почвенного слоя.
7. Капиллярная вода, как следует из названия, находится в тончайших капиллярных трубочках или порах, в которых удерживается силами поверхностного натяжения с образованием менисков. Капиллярная вода обычно располагается выше уровня грунтовых вод, и при этом она может подниматься вверх от этого уровня на 1,5–3 м. Капиллярная кайма, будучи связана с уровнем грунтовых вод, колеблется вместе с ним.
Выше уровня грунтовых вод может располагаться еще одна неширокая кайма капиллярно-подвешенной воды, удерживаемой в тонких порах почвы и подпочвенных горизонтов суглинков и глин (рис. 7.2).
Подземные воды распределяются в верхней части земной коры вполне закономерно. Самая верхняя часть земной коры, вблизи поверхности, называется зоной аэрации, т. к. она связана с атмосферой и почвенным покровом. Ниже нее залегает зона полного насыщения, где вода распространена преимущественно в жидком виде, тогда как в зоне аэрации она может быть и парообразной. Если температуры отрицательны, то вода в этих двух зонах может присутствовать и в виде льда.
Рис. 7.2. Распределение воды выше зоны грунтовых вод. 1 — зона аэрации,
2 — зона полного насыщения (водоносный горизонт), 3 — капиллярно-подтянутая вода,
4 — капиллярно-подвешенная вода
Таким образом, зона аэрации представляет собой как бы переходный буферный слой между атмосферой и гидросферой. В зоне полного насыщения все поры заполнены капельно-жидкой водой, и тогда образуется водоносный горизонт.
Однако горные породы в различной степени проницаемы для воды, что зависит от ряда факторов. Следует подчеркнуть, что пористость и проницаемость не одно и то же.
Горные породы подразделяются на водопроницаемые, слабопроницаемые и водоупорные.
Водопроницаемые — песок, гравий, галечники, конгломераты, трещиноватые песчаники, доломиты, закарстованные известняки и др., и это несмотря на то, что галечники, прекрасно проницаемые для воды, имеют пористость всего 20 %. Пористость
n = Vn / V ⋅ 100,
где Vn — объем пор в образце, а V — объем всего образца.
Пески обладают пористостью 30–35 %.
К слабопроницаемым породам относятся супеси, легкие суглинки, лессы.
Водоупорными считаются всевозможные глины, тяжелые суглинки, плотные сцементированные породы.
Глины имеют пористость 50–60 %. Все дело в том, что поры в глинах очень тонкие (субкапиллярные) и вода через них не может проникнуть, т. к. задерживается силами поверхностного напряжения. Водопроницаемость зависит не от количества пор, а от размера и формы слагающих породу зерен и от плотности их сложения.
Способность горных пород накапливать и удерживать в себе воду называется влагоемкостью. Под полной влагоемкостью понимают такое состояние породы, в котором все виды пор заполнены водой. Максимальная молекулярная влагоемкость — это то количество воды, которое остается в горной породе после того, как стечет вся капельно-жидкая гравитационная вода. Оставшаяся вода удерживается в порах силами молекулярного сцепления и поверхностного натяжения (рис. 7.4). Разница между полной влагоемкостью и максимальной молекулярной влагоемкостью называется водоотдачей, а удельная водоотдача — это количество воды, получаемое из 1 м3 горной породы.
Рис. 7.4. Влагоемкость и водоотдача. 1 — полная влагоемкость, все поры заполнены водой;
2 — водоотдача, гравитационная вода стекла; 3 — максимальная молекулярная влагоемкость:
вода удерживается силами молекулярного сцепления.
Разница между объемами воды в 1 и 3 называется водоотдачей
Классифицировать подземные воды можно по разным признакам — по условиям залегания, по происхождению, по химическому составу.
Типы подземных вод по условиям залегания. Выделяются воды безнапорные, подразделяющиеся на верховодку, грунтовые и межпластовые, а также напорные, или артезианские.
Верховодка — это временное скопление воды в близповерхностном слое в пределах зоны аэрации, в водоносных отложениях на линзовидном, выклинивающемся водоупоре (рис. 7.3). Как правило, верховодка появляется весной, когда тают снега, или в дождливое время, но потом она может исчезнуть. Поэтому колодцы, выкопанные до верховодки, летом пересыхают. Временными водоупорами могут быть любые выклинивающиеся линзовидные пласты глин и тяжелых суглинков, располагающиеся в толще водоносных аллювиальных или флювиогляциальных отложений.
Грунтовые воды представляют собой верхний постоянный водоносный горизонт, располагающийся на первом же протяженном водоупорном слое. Питаются грунтовые воды из области водосбора в пределах водоносного горизонта. Грунтовые воды могут быть связаны с любыми породами: как рыхлыми, так и твердыми, но трещиноватыми.
Поверхность грунтовых вод называется зеркалом, а мощность водосодержащего слоя оценивается вертикалью от зеркала до кровли водоупорного горизонта, и она не остается постоянной, а меняется из-за неровностей рельефа, положения уровня разгрузки, количества атмосферных осадков, изгиба кровли водоупорного слоя. Выше зеркала грунтовых вод образуется кайма капиллярно-подтянутой воды (рис. 7.3).
Рис. 7.3. Схема залегания грунтовых вод:
1 — верховодка (водоносный временный горизонт), 2 — локальный водоупор,
3 — водоносный горизонт, 4 — водоупорный горизонт,
5 — зеркало грунтовых вод, 6 — река, 7 — аллювий, 8 — родник
7.2. Движение и режим грунтовых вод
Зеркало грунтовых вод ведет себя в зависимости от рельефа, повышаясь на водоразделах и понижаясь к рекам, оврагам и другим местам дренирования. Естественно, вода в водоносном слое под действием силы тяжести находится в непрерывном движении и стремится достичь наиболее низкого места в рельефе, например уреза воды в реке, тальвега дна оврага. Именно там, в области разгрузки подземных вод, образуются родники. Вода в водоносном слое перемещается в зависимости от пористости пород, характера соприкосновения частиц, формы и размеров пор, уклона водоносного слоя. Обычно в песках скорость движения воды при небольших уклонах составляет от 0,5 до 2–3 м/сутки. Но если уклон большой и поры велики, то скорость может достигать нескольких десятков метров в сутки (рис. 7.5).
Рис. 7.5. Движение грунтовых вод в зависимости от уровня вод и давления.
1. Точки А и Б имеют одинаковое давление, но А выше Б и вода движется от А к Б (толстая стрелка).
2. Точка В имеет более высокое давление, чем точка Г, и вода движется от В к Г.
3. Точка Д имеет большее давление, чем точка Е, вода движется от Д к Е. e — уровень грунтовых вод
В зависимости от количества атмосферных осадков объем грунтовых вод может изменяться, и летом дебит источников падает, а в сильные засухи родники даже пересыхают (рис. 7.7). Зеркало грунтовых вод особенно сильно может понижаться в связи с забором воды для промышленных нужд. Вокруг скважин, откачивающих воду, уровень грунтовых вод постепенно понижается, и образуется депрессионная воронка (рис. 7.6).
Рис. 7.6. Образование депрессионной воронки в уровне грунтовых вод при усиленном
отборе воды из скважины. 1 — водоносный горизонт; 2 — уровень воды
в скважине; 3 — депрессионная воронка; 4 — новый уровень грунтовых вод;
5 — прежний уровень грунтовых вод (до отбора)
Рис. 7.7. Положение уровня грунтовых вод в дождливый (1) и засушливый (2) сезоны.
В сухой сезон понижается уровень реки (межень) и некоторые колодцы пересыхают
Межпластовые безнапорные подземные воды приурочены к водоносным слоям, располагающимся между двумя водоупорными слоями. Иногда таких водоносных пластов может быть несколько. Если водоносный горизонт обладает большой мощностью и выше его зеркала находится озеро, пруд или река, то направление течения воды в водоносном горизонте будет проходить по изогнутым линиям, стремящимся к реке.
Напорные, или артезианские, межпластовые воды образуются в том случае, если водоносный горизонт, зажатый между двумя водоупорными, приурочен или к пологой синклинали, или к мульде, или к моноклинали, или еще к каким-нибудь структурам, в которых возможно образование напорного градиента.
Напорный, или гидравлический, градиент:
I = h / l,
где h — превышение одной точки зеркала грунтовых вод над другой, а l — расстояние между ними (рис. 7.8). Напорные воды обладают способностью самоизливаться и фонтанировать, т. к. находятся под гидростатическим давлением. Впервые такие фонтаны воды были получены во Франции в провинции Артезия, поэтому они и стали называться артезианскими. Каждый артезианский бассейн включает в себя области питания, напора и разгрузки. Первая область представляет собой выход на поверхность водоносного слоя, на которую выпадают все атмосферные осадки, питающие этот водоносный горизонт. Область напора заключена между двумя водоупорами — водоупорной кровлей и водоупорным ложем, а место, где водоносный слой появляется на поверхности или вскрывается скважинами, но ниже области питания, называется областью разгрузки. Нередко в артезианских бассейнах развито сразу несколько водоносных напорных горизонтов, что особенно характерно для артезианских бассейнов в межгорных впадинах, где глубины водоносных горизонтов могут превышать 1500 м.
Рис. 7.8. Артезианские напорные воды: 1 — водоносный горизонт,
2 — водоупорный горизонт, 3 — фонтанирующая скважина, 4 — осадки, h/l — напорный градиент
В платформенных областях, где артезианские бассейны большие, верхние водоносные горизонты до глубин в 200-500 м содержат преимущественно пресные воды, а ниже воды обладают уже высокой минерализацией. В центре европейской части России находится Московский артезианский бассейн, располагающийся в пологой чашеобразной впадине — Московской синеклизе. Водоносные горизонты связаны с
трещиноватыми каменноугольными и девонскими известняками, а водоупорами служат прослои глин. Области питания располагаются на крыльях синеклизы. В девонских карбонатных отложениях на глубинах от 400 до 600 м развиты минеральные воды с минерализацией 2,4 4,5 г/л. Это всем известная московская минеральная вода. В Московском артезианском бассейне сосредоточены большие запасы пресных и промышленных вод. В отношении всей территории России составлены карты распространения артезианских бассейнов и подсчитаны запасы в них воды, как пресной, так и промышленной и термальной.
Типы источников. Всем хорошо известны выходы подземных вод на поверхность в виде родников и ключей с холодной вкусной водой. Родники появляются там, где происходит разгрузка водоносных горизонтов (рис. 7.9).
Рис. 7.9. Различные типы источников: 1 — воды трещинного типа, 2 — нисходящий,
3 — восходящий, 4 — карстовый. Точки: редкие — пески; частые — водоносный горизонт.
Черным цветом показаны источники
Нисходящие источники чаще всего располагаются недалеко от уреза воды в долине реки, в нижней части склонов оврагов, там, где к поверхности подходят водоупорные горизонты. Источники этого типа связаны как с верховодкой, так и с грунтовыми, а также межпластовыми водами. Все они характеризуются изменяющимся дебитом вплоть до высыхания в жаркое лето. В источниках нисходящего типа вода изливается спокойно ввиду небольшого угла наклона слоев. Нередко можно наблюдать вдоль берега реки сплошную линию сочащихся подземных вод. Нисходящие источники обычно водообильны, поэтому местами они дают начало ручьям и небольшим речкам, как происходит с карстовыми источниками, вытекающими из пещер или из полостей, образовавшихся в карбонатных породах.
Восходящие источники — это выходы на поверхность в местах разгрузки напорных вод, тогда как сам водоносный горизонт расположен намного ниже. Вода может подниматься вверх по трещинам или тектоническому разлому, особенно когда он пересекает водоупорные слои.
Вокруг минеральных источников, особенно углекислых вод, на поверхности образуется скопление так называемого известкового туфа, или травертина, иногда достигающего нескольких метров мощности. Такие травертины белого, желтоватого или розового цветов известны на г. Машук в Пятигорске, в районе Кавказских Минеральных Вод. Туф образуется из гидрокарбонатно-кальциевых вод, когда гидрокарбонат Ca(HCO3)2 переходит в СаСО3 при уходе в воздух СО2 — углекислого газа. В травертинах часто находят отпечатки листьев растений, кости древних животных, которые постепенно обволакиваются известковым туфом.
7.3. Подземные воды и окружающая среда
Гидрогеологические процессы, происходящие в верхней части земной коры, тесно связаны с хозяйственной деятельностью человека — водоснабжением, эксплуатацией городских агломераций, обоснованием строительства и т. д. Именно в области прикладной геологии очень важно понимать существо природно-технического взаимодействия, усиливающегося техногенного пресса на геологическую среду. Мировые запасы пресной воды составляют 34 980 тыс. км3, и в России, включая поверхностные и подземные воды, 3 млн км3, причем водопотребление быстро растет.
Одними из важных задач прикладной гидрогеологии являются обоснование водозабора для хозяйственно-питьевого водоснабжения, а сейчас особенно, и оценка качества воды. Кажется невероятным, но в России в настоящее время только 1 % воды отвечает нормам, установленным для питьевой воды. Большая часть воды на земле непригодна для питья. Около 70 % пресной воды уходит на орошение, а на производство 1 кг пшеницы уходит 1 м3 воды. Многие регионы, такие как США, Северный Китай, Северная и Западная Индия, Западная Азия, Северная Африка, выкачивают подземную воду гораздо быстрее, чем восстанавливаются водоносные горизонты.
Какое количество воды можно извлечь из данного водоносного слоя? Как при этом изменится уровень грунтовых вод? Какова будет депрессионная воронка и как быстро она сформируется? Какова должна быть ширина зоны санитарной охраны? На все эти вопросы надо дать ответ.
В связи с отбором воды из водоносных горизонтов разного типа изменяется водный режим ландшафтов, происходит изменение растительности, меняются поверхностный сток и напряженно-деформированное состояние водонасыщенных горных пород. Понижение уровня грунтовых вод приводит к угнетению лесов, к осушению и возгоранию летом торфяников, к уменьшению поверхностного водного стока и обмелению небольших рек, эвтрофикации мелеющих озер, оседанию отдельных участков земной поверхности. Поэтому необходим мониторинг влияния водоотбора на окружающую среду, а также геофильтрационное моделирование потока подземных вод.
Для многих городов характерно подтопление территорий, т. е. повышение уровня грунтовых вод за счет увеличения инфильтрации осадков, утечек промышленных вод, искусственного орошения. Такое подтопление вызывает усиление оползневых явлений, суффозии (вымывания), уменьшение прочностных свойств грунтов. Поэтому необходимо проводить дренаж, чтобы снизить уровень грунтовых вод.
Другая опасность — это техногенное загрязнение подземных вод из атмосферы в виде твердой и жидкой фаз, закачка промышленных стоков, утечки из систем канализации, свалки, нефтепродукты и др. Все это способствует проникновению токсичных веществ сначала в зону аэрации, а потом и в водоносные горизонты (рис. 7.10). Все сказанное выше свидетельствует об уязвимости водоснабжения населения в связи с усиливающимся техногенным загрязнением. Существует еще много очень важных вопросов, касающихся прикладной гидрогеологии. Отсюда следует очевидный вывод о том поистине жизненном значении, которое приобретает наука о подземных водах.
Рис. 7.10. Загрязнение водоносного горизонта за счет просачивания вод из района свалки:
1 — зеркало грунтовых вод, 2 — направление движения грунтовых вод,
3 — свалка, 4 — дождь, 5 — загрязнение воды