Залегание и распространение воды в подземной гидросфере

Тема 8.

1. Подземные воды зоны аэрации

Зоной аэрации называется верхняя часть земной коры, через которую вода просачивается к постоянно существующим водоносным горизонтам (зонам). Поры и трещины зоны аэрации заполнены газами и частично водой – в парообразном состоянии, физически связанныой, капиллярной. Гравитационная вода находится в зоне аэрации временно. Через зону аэрации происходит инфильтрация атмосферных осадков, поверхностных вод, передвижение кон­ден­­са­ци­онных вод. А.М.Овчинников: "зона аэрации – буферный слой между атмосферой и подземной гидросферой". Мощность зоны аэрации на равнинных территориях обычно не более 10-20 м; в горных районах (в особенности на карстовых массивах) может превышать 1-1,5 км.

¤ Пояс почвенной влаги.

Имеет непосредственную связь с атмосферой. Мощность от нескольких см. до 1-2 м, в тропиках до 10-15 м. Почвы по интенсивности почвообразующих процессов м.б. тундровые, таежные (кислые или слабокислые, подзолистые), степные (чернозем), тропические. Сочетание климатических и геохимических факторов определяет направленность процессов формирования почв.

Почвенные горизонты

А – аккумулятивно-элювиальный горизонт (в наших широтах до 0,5 м);

В – иллювиальный горизонт (гиризонт "вмывания") – наиболее ярко проявляется в ибластях континентального засолонения, где его мощность может достигать нескольких м;

С – материнские породы.

По особенностям водного режима выделяются 3 подзоны:

переменного увлажнения;

транзита;

капиллярной каймы.

Типы водного режима почвенной влаги:

мерзлотный (в зоне многолетней мерзлоты); отрицательные температуры держатся до 8-10 мес., а снежный покров маломощный. оттаивание почв может затянуться до осени. замерзшая почва выполняет рол водоупора;

промывной (территории гумидного климата); количество поступающей воды достаточно для вынесения солей; характерен для подзолистых почв лесной и лесостепной зон;

непромывной; баланс между поступающей и расходующейся влагой; характерен для черноземов, каштановых почв, сероземов;

выпотной (территории аридного климата); разность между расходом и поступлением влаги покрывается за счет испарения неглубоко залегающих грунтовых вод. Обогащение почв солями, образование солончаков.

Ландшафтно-климатическая зональность отражается на составе почвенных вод: гидрокарбонатные кальциевые и магниевые с М до 0,1-0,3 г/л в тундровой и таежной зонах, сульфатно-хлоридные натрриевые с М до 3-10 г/л в степях и полупустынях. Растения избирательно поглащают отдельные компоненты и активно влияют на гидрогеохимические процессы в почвах.

¤ Промежуточный пояс

Располагается между почвенным слоем и капиллярной оболочкой. Движение влаги может быть как нисходящим, так и восходящим. Ухудшение условий питания приводит к возрастанию мощности пояса от 0-2 м в зоне тундр до 20-40 м в степной зоне.

Основной тип вод – верховодка – водоносные линзы, образующиеся на водоупорных слоях ограниченных размеров. Отличительные особенности: сезонность (не всегда), ограниченные ресурсы, существенные изменения гидродинамическоготемпературного, гидрохимического режима во времени. Образуется на: погребенных почвах; линзах глин в аллювии, элювии, делювии; моренных линзах среди флювиогляциальных песков; линзах неоттаевших пород; участках слабо развитой трещиноватости в зоне выветривания осадочных, интрузивных, метаморфических пород и т.д. Осеновной источник питания – атмосферные осадки; в речных долинах – паводковые воды. Питание в относи­тельно кратковременный период (снеготаяние, дожди), потом – медленный раход на стекание вниз, испарение, извлечение на хозяйственные нужды. Режим верховодки определяется комплексом физико-географических, геологических, геоморфологических условий. В гумидной зоне верховодка может бать существенным источником водоснабжения отдельных небольших хозяйств.

Степные "блюдца" как характерный тип скопления верховодки.

Характерные особенности и использование верховодки в таежны районах. Примеры из практики гидрогеологической съемки на северо-западе России.

¤ Воды капиллярной каймы.

Располагаются выше зеркала грунтовых вод. Вследствие неоднородности пород по гранулометрическому составу и степени трещиноватости верхняя граница капиллярного смачивания может располагаться на различной высоте над зеркалом грунтовых вод, от нескольких см в крупнообломлчных породах до первых метров в глинистых. Колебания этой границы контролируются уро­венным режимом грунтовых вод. Эти воды имеют большое значение в питании растений, формировании солевого режима зоны аэрации в аридных областях, в формировании инженерно-геологических условий строительства различных сооружений.

2. Грунтовые воды

¤ Общие особенности

Это – воды первого от поверхности водоносного горизонта, залаегаю­щего на первом от поверхности водоупоре. Могут быть связаны как с породами с поровой пустотностью, так и с трещиноватыми. Главные особенно­сти:

1) безнапорные или с небольшим местным напором;

2) питание в результате инфильтрации атмосферных осадков, реже поверхностных вод, и конденсации влаги в зоне аэрации;

3) режим изменчив и зависит от метеорологических условий;

4) образуют различные формы залегания – потоки, бассейны и их сочетания;

5) преобладают глубины залегания до 10-20 м, но в отдельных случаях (например, в карстовых массивах) могут залегать на глубине более 1-1,5 км.

6) характеризуются горизонтальной гидродинамической, гидрохими­ческой, температурной зональностью;

7) мощность горизонта грунтовых вод обычно измеряется метрами и десятками метров, редко сотнями метров;

8) широко используются для организации водоснабжения как наиболее доступные для извлечения;

9) легко подвержены загрязнению; необходима организация охраны горизонтов грунтовых вод.

Привести примеры горизонтов грунтовых вод для различных районов (Ленинградская область, Приангарье, Прикаспийская низменность).

¤ Режим

Условия питания грунтовых вод определяют их режим. 4 типа режима грунтовых вод (по Г.Н.Каменскому).

1) Водораздельный, формирующийся в результате инфильтрации атмосферных осадков, испарения и подземного стока;

2) Прибрежный, контролируемый колебаниями уровня рек, озер, морей. Воды берегового регулирования, определяющие режим подземного стока в реки. Значение поступления воды из других ландшафтно-климатических зон (бассейны Волги, Терека, Сыр- и Аму-Дарьи). Воды морских побережий и специфика их гидрохимического режима (пример – Совгавань);

3) Предгорный, формирующийся в результате стока с горных массивов (примеры по Кавказу);

4) Мерзлотный, характеризующийся полным или частичным промерза­нием горизонта грунтовых (надмерзлотных) вод зимой. Наледи.

¤ Зональность

Грунтовые воды всех континентов характеризуются горизонтальной гидрогеологической зональностью. Начало изучения зональности грунтрвых вод России положено П.В.Отоцким (1914 г), опиравшемся на идеи В.В.Докучаева. В 1923 г В.С.Ильин в БСЭ опубликовал карту зональности грунтовых вод Европейской территории СССР (7 зон). Работы О.К.Ланге, Г.Н.Каменского, И.К.Зайцева и М.С.Распопова.

Общая идея: с севера на юг изменяются условия питания и разгрузки грунтовых вод как следствие изменения климатических характеристик. Это приводит к изменению уровней залегания и химического состава – смене гидрокарбонатных кальциевых вод сульфатными кальциевыми и натриевыми и затем хлоридными натриевыми водами. Эти общие закономерности осложня­ются геологическими, геоморфологическими особенностями и историей геоло­ги­ческого развития отдельных районов. Проиллюстрировать на примере Европейской территории России.

¤ Использование

1) хозяйственно-питьевое водоснабжение;

2) лечебные минеральные воды (иногда углекислые, большая часть железистых, большая часть радоновых)

3. Артезианские воды.

Это – напорные воды, залегающие в водоносных пластах осадочных пород. Название от провинции Артуа (Артезия), где в 1126 году был пройден колодец, вскрывший самоизливающуюся воду.

¤ Особенности.

1) напорные межпластовые воды, уровень которых при вскрытии устанавливается выше кровли водоносного горизонта, часто выше поверхности Земли (пример – Приильменская низина площадью более 1000 км²);

2) распространены в интервале глубин до 12-15 км;

3) в значительно меньшей степени подвержены влиянию поверхностных факторов;

4) обладают относительно стабильным гидрогеодинамическим и гидро-геохимическим режимом (пример – Старая Русса с полуторавековым циклом наблюдений);

5) упругий режим фильтрации; роль глубинных факторов движения артезианских вод (литогенного, тектонического, газлифта);

6) чаще всего снижение положения пьезометрической поверхности книзу на водоразделах и повышение в пониженных частях артезианских бассейнов;

7) относительная защищенность от поверхностного загрязнения;

8) артезианские области – Восточно-Европейская, Восточно-Сибирская, Причерноморская, Западно-Сибирская, Приаральская;

9) артезианские бассейны; примеры.

¤ Вертикальная зональность

Еще в 1931 году В.И.Вернадский высказал предположение, что с глубиной подземные воды становятся всё более концентрированными. Это предполо­жение подтвеодилось многочисленными данными, полученными по глубоким скважинам. Стало ясно, что гидрогеохимическая зональность тесно связана с изменением с глубиной гидрогеодинамических условий и с историей гео­логического развития регионов, прежде всего чередованием трансгрессив­ных и регрессивных этапов и сменой климатических условий, обусловливавших появление крупных лагун с высокоминерализованными водами.

Гидрогеодинамическая зональность.

Зона интенсивного (активного) водообмена с преобладающими скоростями фильтрации измеряемыми для равнинных территорий милли­метрами и сантиметрами в сутки и на 1-2 порядка выше для горных областей. Нижняя граница контролируется региональными базисами дренирования водоносных горизонтов. Средняя мощность около 100 м. для равнинных и около 200 м для горных областей. Время полного водообмена (по В.П.Звереву) 760 лет для равнинных и 230 лет для горных областей.

Зона сравнительно активного водообмена. Нижняя граница контролиру­ется современным уровнем океана с преобладающими скоростями фильтрации миллиметры и доли миллиметров в сутки. Средняя мощность около 400 м для равнинных и 2000 м для горных областей. Время полного водообмена 60х10³ лет для равнинных и 13х10³ лет для горных областей.

Зона затрудненного водообмена. Ограничивается сверху региональными водоупорами. Заметно уменьшаются скорости фильтрации. Средняя мощность – первые километры. Время полного водообмена измеряется миллионами лет.

Зона весьма затрудненного водообмена (застойного режима). Глубины более 3-4 км. Скорости фильтрации соизмеримы со скоростями тектонических движений и измеряются миллиметрами, реже первыми сантиметрами в год. Тектонический фактор становится ведущим в медленном движении подземных вод.

Гидрогеохимическая зональность.

На геолого-исторический фактор накладывается гидрогеодинамический. Гидрогеохимическая зональность – интегральная характеристика происходив­ших и происходящих процессов в артезианском бассейне. Примеры (прокомментировать)

Артезианский бассейн	Преобладающие породы	Гидрогеохимические зоны и их мощность, км
Московский	терригенные, карбонат- ные, гипсы, каменная соль (D2-3, P1)	А – 0,05-0,3; Б – 0,1-0,6; В240 – 3
Ангаро-Ленский	карбонатные, терриген- ные, гипсы, каменная соль (Î1)	А – 0,2-0,5; Б – 0,4-0,8; В140 – 0,6-1,2; В>350 – 1,5-2;
Западносибирский	терригенные	А – 0,1-1,7; Б – 0,2-2,5; В70 – 0-1;
Амударьинский	терригенные, карбонат- ные, соленосные (J3)	Б – 0,5-1,2; В230 – 1-1,5; В300 0,5-0,7;

Газовая зональность

Кислородная зона – до 0,2-0,3 км;

Азотная зона – до фундамента;

Азотно-метановая – в нефтегазоносных бассейнах мощность до 3-5 км;

Углекислого газа – связана с глубинным метаморфизмом.

4. Лавовые воды

Распространены ниже зоны выветривания в вулканогенных образованиях и связаны с внутрилавовой и межлавовой пустотностью и тектонической трещиноватостью. В современных вулканических областях мощность зоны напорных лавовых вод может достигать нескольких сот метров и даже до 1,5-2 км. Мутновское месторождение термальных вод: продуктивные зоны 0,25-0,6, 0,9-1,1 и 1,5 км; т-ра 240-270 м.

Разнообразие химического и газового состава: парогидротермы Камчатки, Курильских островов, Красного моря, Сицилии, Исландии как теплоэнергетические, промышленные и лечебные воды.

4. Трещинно-жильные воды

Связаны с тектоническими нарушениями в изверженных, осадочных и метаморфических породах. Могут быть вскрыты до глубин в несколько км. С ними могут быть связаны пресные хозяйственно-питьевые воды (примеры по Карелии), но чаще это – слабо минерализованные лечебные воды (углекислые, кремнекислые, радоновые и др., формирование которых рассматривается в курсах гидрогеохимии и региональной гидрогеологии.

5. Подземные воды карстовых массивов

Специфика карста как геологического явления позволяет рассмотреть эти воды отдельно. По характеру движения карстовых вод можно выделить следующие зоны.

В зоне аэрации – нисходящее движение по трещинам, через карстовые "колодцы", по сложным системам пещер. Мощность этой зоны на приподнятых карстовых массивах может достигать 1,5-2 км. Мировой рекорд спуска человека в эту зону, попавший в книгу Гиннеса, 1710 метров – пещера Воронья на известняковом массиве Арабика (Западный Кавказ), достигнутый группой российских и украинских спелеологов п/р Юрия Касьяна и Анатолия Повякало в январе 2001 года. Мощность зоны аэрации в карстовых массивах Крыма – несколько сот м. Конденсационные воды могут составлять до 7 % общего водного баланса.

Зона сезонного колебания уровней подземных вод. Мощность может достигать 100 и более м в горных массивах (Западный Кавказ, Крым) и первых десятков метров (Ижорское плато, Онего-Северодвинское междуречье). При высоком стоянии воды – субгоризонтальное движение, при низком – субверти­каль­ное.

Зона полного насыщения. Мощность сотни метров. Появляется напор. Здесь заключены основные запасы карстовых вод. Эта зона обеспечивает питание постояннодействующих карстовых источников. Колебания мощности этой зоны обусловливают неустойчивый гидродинамический режим карстовых источников и скважинных водозаборов. Дебиты источников могут изменяться в пределах нескольких порядков. Пример – источник Аян в Крыму, дебит изме­няется от 30 до 10000 л/с. В Крыму все реки берут начало из карстовых источников. На карстовых водах базируется водоснабжение большей части населенных пунктов южного и центрального Крыма.

Зона глубинного движения. Движение воды вне непосредственного влияния местной гидрографической сети. Мощность определяется геострук­турными особенностями района и положением подошвы карстующихся пород. Пример: карстовые воды глубоких горизонтов каменноугольных известняков в Московском и Волгл-Камском артезианских бассейнах.

Характерная особенность химического состава карстовых вод - отраже­ние состава водовмещающих пород. Гидрохимические особенности подземных инфильтрационных вод соляного, гипсового, карбонатного карста. В зоне глубинного движения могут быть развиты седиментогенные воды с их характерным химическим составом в значительно меньшей степени зависящим от состава водовмещающих пород, чем карстовые воды верхних горизонтов.

6. Подземные воды мерзлой зоны литосферы

Так называлась вышедшая в 1941 году монография Н.И.Толстихина. Это – специфический тип вод, распространенный на половине территории России, среди которых могут присутствовать грунтовые, артезианские, лавовые, трещинно-жильные, карстовые воды.

Мерзлая зона литосферы (зона вечной мерзлоты) захватывает обширные территории Арктики, Антарктики, Гренландии, С.Америки, Евразии. Возраст до 500 тыс. лет в Верхоянье и на Таймыре и десятки тысяч лет на других территориях. Мощность до 1400 м (Анабарский массив). Области сплошного, прерывистого и островного распространения вечной мерзлоты.

¤ Надмерзлотные воды.

Воды деятельного слоя. Питание – атмосферные осадки, реже поднимающиеся мерзлотные воды. Мощность 3-5 м. Промерзают зимой. После дождей бывают дебиты источников до 10 л/с. Обычно пресные.

Подрусловые несквозные талики. Мощность до 30 м. Химический состав зависит от состава речной воды. Пример – район Якутска, где зимой усиливается питание водами выщелачивания каменной соли и гипса.

Подозерные несквозные талики (включая подаласные, т.е. под котловинами пересохших термокарстовых озер). Мощность до 50-80 м. М до 5-6 г/л. НСО₃ -Са, НСО₃-Na и др типы; влияние процессов вымораживания.

Присклоновые надмерзлотные воды несквозных таликов. Нижние части склонов озерных и речных террас. Часто соединяются с водами подрусловых и подозерных таликов. Дебиты источников до 10-20, редко даже до 80 л/с. Пресная НСО₃ -Са вода, зимой минерализация повышается появляется НСО₃ -Na.

Субмаринные несквозные талики. В устьях крупных рек, под дном подводных древних русел. Чаще на площадях, где глубина моря < 5-15 м. Пример – р.р. Яна и Индигирка; до 20-25 км от берега при толщине слоя морской воды до 4-5 м.Мощность таликов до 4-5, реже 10 м.

Для водоснабжения благоприятны воды под- и прирусловых и подозерных (Лено-Вилюйское, Лено-Амгинское междуречья) таликов.

Межмерзлотные воды

Температура от -20 до 2-3^о С, часто соленые и рассолы.

Выводящие (зимой) и поглощающие (весной, летом) сквозные межмерзлотные талики. Пример: в верхнем течении р. Б.Анюй мощность мерзлоты на водоразделах до 600 м, в долине 200 м. Тектоническая зона в полосе шириной до 25 км трассируется 20-ю источниками с дебитами от 100 до 1500 л/с.

Замкнутые водоносные талики. Соленые воды и рассолы с отрицательной температурой. Возникли при промерзании осадочных пород, содержащих седиментогенные воды или воды выщелачивания солей.

Подмерзлотные воды

Чаще напорные. Глубина на севере 300-600 и более метров. Пресные, чаще соленые. Статические уровни часто устанавливаются на глубинах в десятки метров ниже поверхности. Одна из причин – деградация вечной мерзлоты, пр которой снижаются напоры. Использование хозяйственно-питьевое водоснабже­ние, лечебные и промышленные минеральные воды, термальные воды.

Подземные льды. Наледи

Разновидности: снежные, ледниковые, озерные, речные, морские.

Формы ледяных образований: линзы лаколиты, штоки, наледи.

Наледи – скопления льда, образующиеся в результате разгрузки подземных вод. Чаще располагаются вдоль рек. Протяженность может достигать 25-30 км, ширина 1,5-2 км. Преобладающие параметры для северо-востока России (по О.Н.Толстихину): длина 1-5 км, ширина 0,25-0,5 км. Площади (F) и объемы (W) наледей находятся в определенной зависимости от расхода наледеобразующегося источника (Q):

F,W = f(gcQ),

где g и c – параметры, учитывающие полноту фиксации наледью поступающей воды в зависимости от геоморфологических и климатическких условий. Площади и объемы наледей изменяются в течение года и по отдельным годам. Они являются показателем естественных ресурсов подземных вод.

Дата добавления: 2015-07-13