Полная версия

Главная arrow Экология arrow Науки о Земле

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

ГИДРОГЕОЛОГИЯ

Гидрогеология (от греч. кщог - вода и геология - наука о Земле) -наука о подземных водах, изучающая их состав и свойства, происхождение, закономерности распространения и движения, а также взаимодействие с горными породами. Гидрогеология тесно связана с гидрологией, геологией (в том числе инженерной геологией), метеорологией, геохимией, геофизикой и другими науками о Земле. Она опирается на данные математики, физики, химии и широко использует их методы исследования.

Историческая справка. Накопление практических знаний о подземных водах, начавшееся с древнейших времён, ускорилось с появлением городов и поливного земледелия. Искусство сооружения копаных колодцев глубиной в несколько десятков метров было известно за 2-3 тыс. лет до н. э. в Египте, Средней Азии, Индии, Китае и других странах. Имеются сведения о лечении минеральными водами в этот же период.

В 1-м тысячелетии до н. э. появились зачатки научных представлений о свойствах природных вод, их происхождении, условиях накопления и круговороте воды на Земле (в Древней Греции - Фалес (VII— VI в. до н. э.), Аристотель (IV в. до н. э.); в Древнем Риме - Лукреций, Витрувий (I в. до н. э.) и др.).

Изучению подземных вод способствовало расширение работ, связанных с водоснабжением, строительством каптажных сооружений (например, кяризов у народов Кавказа и Средней Азии), добычей солёных вод для выпаривания соли путём копания колодцев, а затем бурения (территория России, XII-XVII вв.). Возникли понятия о ненапорных, напорных (поднимающихся снизу вверх) и самоизливающих-ся водах. Последние получили в XII в. название артезианских (от провинции Артуа во Франции). В эпоху Возрождения и позднее подземным водам и их роли в природных процессах были посвящены работы западноевропейских учёных Агриколы, Палисси, Стено и др. В России первые научные представления о подземных водах как о природных растворах, их образовании путём инфильтрации атмосферных осадков и геологической деятельности подземных вод были высказаны М. В. Ломоносовым в сочинении «О слоях земных» (1763 г.). В конце XIX - начале XX вв. были выявлены закономерности распространения грунтовых вод (В. В. Докучаев, П. В. Отоцкий) и составлена карта зональности грунтовых вод Европейской части России. До середины XIX в. учение о подземных водах развивалось как составная часть геологии. Затем оно обособляется в отдельную дисциплину, которая в дальнейшем всё более дифференцируется. В формировании гидрогеологии большую роль сыграли французские инженеры Л. Дарси, Ж. Дюпюи, Шези, немецкие учёные Э. Принц, К. Кейльхак, X. Хёфер и др., учёные США А. Хазен, Ч. Слихтер, О, Мейнцер, А. Лейн и др., русские геологи С. П. Никитин, И. В. Мушкетов и др. Большую роль в развитии гидрогеологии в России сыграла систематическая геологическая съёмка, производившаяся Геологическим комитетом. В дальнейшем гидрогеологические исследования получили широкий размах. Изучение подземных вод приобрело систематический характер, была создана сеть гидрогеологических учреждений, организована подготовка специалистов-гидрогеологов. Индустриализация страны дала толчок к развитию гидрогеологических исследований для централизованного водоснабжения новых городов, крупных заводов и фабрик. За последующие годы гидрогеология превратилась в многогранную область геологических знаний, в которой начали развиваться многочисленные отрасли:

  • - общая гидрогеология;
  • - динамика подземных вод;
  • - учение о режиме и балансе подземных вод;
  • - гидрогеохимия;
  • - учение о минеральных, промышленных и термальных водах;
  • - учение о поисках и разведке подземных вод;
  • - мелиоративная гидрогеология;
  • - гидрогеология месторождений полезных ископаемых;
  • - региональная гидрогеология.

Общая гидрогеология изучает происхождение подземных вод, их физические и химические свойства, взаимодействие с вмещающими горными породами. Творческий вклад в эту область гидрогеологии внесли советские учёные А. Ф. Лебедев, А. Н. Бунеев, В. И. Вернадский и др., австрийский геолог Э. Зюсс, учёный США А. Лейн, немецкий гидрогеолог X. Хёфер и др. Изучение подземных вод в связи с историей тектонических движений, процессов осадконакопления и диагенеза позволило подойти к выяснению истории их формирования и содействовало появлению в 30-40-х гг. XX в. новой отрасли общей гидрогеологии - палеогидрогеологии (учение о подземных водах прошлых геологических эпох).

Гидрогеохимия изучает процессы формирования химического состава подземных вод и закономерности миграции в них химических элементов. Теоретические предпосылки строятся на современных представлениях о структуре природных вод, о распространённости химических элементов в земной коре и горных породах, на понятии о кларках, факторах миграции, накопления, осаждения и рассеивания различных элементов и их изотопов в природных водах, о газовом составе подземных вод и других характеристиках. Основы гидрогеохимии заложены трудами В. И. Вернадского в 30-х гг. XX в. Окончательно оформилась эта отрасль в 40-х гг. XX в.

Динамика подземных вод - отрасль гидрогеологии, рассматривающая теоретические основы и методы изучения количественных закономерностей режима и баланса подземных вод. С точки зрения методологических построений, основывающихся на теории фильтрации, данная отрасль неразрывно связана с гидравликой и гидромеханикой. В зарубежной литературе понятие динамики подземных вод нередко отсутствует, большая часть относящихся к ней вопросов рассматривается гидрологией подземных вод.

Большую роль в развитии теории динамики подземных вод сыграли в нашей стране - Н. Е. Жуковский, Н. Н. Павловский, Г. Н. Каменский и др., за рубежом - Ж. Дюпюи и Л. Дарси (Франция), А. Тилль (Германия), Ф. Форхгеймер (Австрия), Ч. Слихтер, Ч. Хейс, М. Мас-кет, Р. де У ист (США).

Многие положения динамики подземных вод, касающиеся главным образом гидромеханических проблем, заложены во второй половине XIX - начале XX вв. исследователями, работавшими в области гидравлики и теоретической механики, - французскими учёными Д. Дарси и Ж. Дюпюи, установившими линейный закон фильтрации, русским учёным Н. Е. Жуковским, работавшим над теорией движения подземных вод и др. Современные основы теории и практики динамики подземных вод заложены преимущественно советскими учеными, проводившими в 20-30-х гг. XX в. исследования по решению задач гидротехнического строительства. Н. Н. Павловский выявил проблемы динамики грунтовых вод в связи с гидротехническим строительством, Г. Н. Каменский занимался изучением проблем связи динамики подземных вод с геологическими условиями, вопросов движения грунтовых вод в неоднородных пластах, разработал методику расчёта подпоров грунтовых вод и др. Для развития динамики подземных вод большое значение имеет исследование вопросов нефтяной подземной гидравлики (газогидродинамика), начатое в нашей стране Л. С. Лейбензоном.

В современный период:

  • - характерно активное применение гидродинамических расчётов и прогнозирование на их основе почти во всех гидрогеологических исследованиях;
  • - завершена разработка методики расчётов стационарной фильтрации и разработаны теоретические основы прогнозов подпора грунтовых вод в районах гидросооружений и орошаемых территорий;
  • - обосновываются методы оценки эксплуатационных запасов подземных вод;
  • - сформулированы основные направления исследований региональной динамики глубоких и взаимодействующих водоносных горизонтов.

Воздействие хозяйственной деятельности человека на подземные воды приводит к необходимости рассмотрения сложных расчётных схем, поэтому помимо аналитических методов расчёта широко используются методы математического моделирования на ЭВМ. Это позволяет проводить гидрогеологические расчёты с возможно более полным учётом природной обстановки и всех действующих факторов.

Наряду с решением прямых гидрогеодинамических задач, при котором даётся прогноз режима и баланса подземных вод, в динамике подземных вод рассматриваются решения обратных задач - восстановление параметров фильтрационной схемы по данным о режиме подземных вод (например, при многолетней работе крупных водозаборов подземных вод, в районах водохранилищ, карьеров). Важное значение для изучения загрязнения подземных вод, обоснования гидрогеохимических методов поисков полезных ископаемых приобретает новое направление, изучающее физико-химические процессы, происходящие при взаимодействии подземных вод с вмещающими их горными породами.

В середине XX в. в качестве самостоятельного направления выделилась радиогидрогеология - изучение миграции в подземных водах радиоактивных элементов (работы А. П. Виноградова, А. В. Щербакова).

Учение о минеральных, промышленных и термальных водах.

Учение о минеральных водах рассматривает вопросы химического состава и происхождения минеральных вод, их классификацию на основные генетические типы, создаёт представление о месторождениях и ресурсах минеральных вод и решает проблемы их практического использования (главным образом для курортно-санаторного лечения). Воды с повышенным содержанием разных элементов (йода, брома, бора, стронция, лития, радия и др.), получившие название промышленных, исследуются для извлечения из них указанных элементов. Изучение, поиски и разведка месторождений термальных и перегретых вод проводятся в целях использования их для теплофикации городов и населённых пунктов.

Учение о поисках и разведке подземных вод связано с разработкой способов выявления месторождений подземных вод, пригодных для организации водоснабжения, орошения и других практических целей; их количественной и качественной оценкой; решением задач, возникающих при строительстве инженерных сооружений, при осушительных мероприятиях и ирригации. Методика гидрогеологических исследований разрабатывалась в связи с поисками и разведкой подземных вод.

Мелиоративная гидрогеология разрабатывает методы улучшения гидрогеологических условий орошаемых и осушаемых территорий в целях их наиболее рационального сельскохозяйственного освоения. Вопросы мелиоративной гидрогеологии (определение норм полива, обеспечение водой сельскохозяйственных культур, прогноз режима подземных вод, борьба с засолением почв и др.) имеют важное значение для обширной территории аридной зоны земного шара.

Гидрогеология месторождений полезных ископаемых занимается изучением подземных вод применительно к задачам геологопромышленной оценки месторождений, их освоения и разработки. Развиваются два направления: гидрогеология месторождений твёрдых полезных ископаемых и гидрогеология нефтегазоносных месторождений, что объясняется спецификой разведки, освоения и добычи этих полезных ископаемых. Выделяется рудничная гидрогеология, разрабатывающая мероприятия по борьбе с подземными водами.

Региональная гидрогеология изучает закономерности распространения подземных вод в различных природных условиях в связи с геологическими структурами. Она развивается на основе гидрогеологического картирования различного масштаба - от 1:500 000 до 1:10 000, основанного на геологической съемке. Наряду с картами отдельных районов составляются сводные гидрогеологические карты территории нашей страны. В результате региональных исследований создаются многочисленные общие и специальные карты (рис. 43, 44). На основе региональной гидрогеологии получило развитие учение о горизонтальной и вертикальной зональности.

Абсолютные значения глубин гидроизогипс, построенных с помощью ГИС-технологии

Рис. 43. Абсолютные значения глубин гидроизогипс, построенных с помощью ГИС-технологии.

Подземные воды - воды, находящиеся в толщах горных пород верхней части земной коры в жидком, твёрдом и парообразном состоянии. В зависимости от характера пустот водовмещающих пород подземные воды делятся на поровые - в песках, галечниках и других обломочных породах, трещинные (жильные) - в скальных породах (гранитах, песчаниках) и карстовые (трещинно-карстовые) - в растворимых породах (известняках, доломитах, гипсах и др.).

Подземные воды, перемещающиеся под влиянием силы тяжести, называются гравитационными, или свободными, в отличие от вод, связанных, удерживаемых молекулярными силами, - гигроскопических, плёночных, капиллярных и кристаллизационных. Слои горных пород, насыщенные гравитационной водой, образуют водоносные горизонты, или пласты. Подземные воды обладают различной степенью водопроницаемости и водоотдачи (способностью вытекать из водоносной породы под влиянием силы тяжести). Первый от поверхности Земли постоянно существующий безнапорный водоносный горизонт называется горизонтом грунтовых вод. Непосредственно над их поверхностью - зеркалом грунтовых вод - распространены капиллярные воды, которые могут быть и подвешенными, т. е. несо-общающимися с ним. Всё пространство от поверхности Земли до зеркала грунтовых вод называется зоной аэрации, в которой происходит

22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 1 1 Ю 9 8 7 6 5 4 3 2

2 4 6 8 10 12 14 16 18

Рис. 44. Карта глубины залегания поверхности грунтовых вод, построенная с помощью ГИС-технологии.

просачивание вод с поверхности. В этой зоне на отдельных разобщённых прослоях пород, обладающих меньшей фильтрационной способностью, в период питания грунтовых вод образуются временные скопления подземных вод, которые называются верховодкой. Водоносные горизонты, залегающие ниже грунтовых вод, отделяются от них пластами водонепроницаемых (водоупорных) или слабопроницаемых пород и называются горизонтами межпластовых вод. Они обычно находятся под гидростатическим давлением (артезианские воды), реже имеют свободную поверхность и безнапорны (безнапорные воды). Область питания межпластовых вод находится в местах выхода водовмещающих пород на дневную поверхность (или в местах их неглубокого залегания); питание происходит также и путём перетекания воды из других водоносных горизонтов.

Подземные воды - природные растворы, содержащие свыше 60 химических элементов (в наибольших количествах - К, N3, Са, 1У^, Ре, А1, С1, 8, С, 81, Ы, О, Н), а также микроорганизмы (окисляющие и восстанавливающие различные вещества). Как правило, подземные воды насыщены газами (ССЪ, СЬ, N2, С2Н2 и др.). По степени минерализации подземные воды подразделяют (по В. И. Вернадскому) на пресные (до 1 г/л), солоноватые (от 1 до 10 г/л), солёные (от 10 до 50 г/л) и подземные рассолы (свыше 50 г/л). В более поздних классификациях к подземным рассолам относят воды с минерализацией свыше 36 г/л. По температурным данным различают переохлажденные (ниже 0 °С), весьма холодные (от 0 до -4 °С), холодные (от -4 до -20 °С), тёплые (от 4 до 37 °С), горячие (от 37 до 50 ° С), весьма горячие (от 50 до 100 °С) и перегретые (свыше 100 °С) подземные воды.

По происхождению выделяют несколько типов подземных вод.

Инфильтрационные воды образуются благодаря просачиванию с поверхности Земли дождевых, талых и речных вод. По составу они преимущественно гидрокарбонатно-калъциевые и магниевые. При выщелачивании гипсоносных пород формируются сульфатно-кальциевые, а при растворении соленосных - хлоридно-натриевые воды.

Конденсационные подземные воды образуются в результате конденсации водяных паров в порах или трещинах пород.

Седиментационные воды формируются в процессе геологического осадкообразования и обычно представляют собой измененные захороненные воды морского происхождения - хлоридно-натриевые, хлоридно-кальциево-натриевые и др. К ним же относятся погребённые рассолы солеродных бассейнов, а также ультрапресные воды песчаных линз в моренных отложениях. Воды, образующиеся из магмы при её кристаллизации и при метаморфизме горных пород, называются магматогенными, или ювенильными (по терминологии Э. Зюсса).

Одним из показателей природной обстановки формирования подземных вод является состав растворённых в них и свободно выделяющихся газов. Для верхних водоносных горизонтов с окислительной обстановкой характерно присутствие кислорода, азота для нижних частей разреза, где преобладает восстановительная среда, типичны газы биохимического происхождения (сероводород, метан). В тектонически активных областях распространены воды, насыщенные углекислым газом (углекислые воды Кавказа, Памира, Забайкалья). Возможно, насыщение вод углекислым газом связано с термометаморфизмом, выделяющим СОг. У кратеров вулканов встречаются кислые сульфатные воды (так называемые фумарольные термы).

Во многих водонапорных системах, которыми часто являются крупные артезианские бассейны, выделяют три зоны, различающиеся степенью интенсивности водообмена с поверхностными водами и составом подземных вод. Верхние и краевые части бассейнов заняты обычно инфильтрационными пресными водами. Здесь имеют место зоны активного водообмена (по Н. К. Игнатовичу), или активной циркуляции. В центральных глубоких частях бассейнов выделяется зона весьма замедленного водообмена, или застойного режима, где распространены высокоминерализованные воды. В промежуточной зоне относительно замедленного или затруднённого водообмена развиты смешанные воды различного состава.

Закономерности распространения подземных вод зависят от многих геологических и физико-географических факторов. В пределах платформ и краевых прогибов развиты артезианские бассейны и склоны (например, Западно-Сибирский, Московский и Прибалтийский артезианские бассейны). На платформах встречаются большие по площади участки с высокоподнятым докембрийским кристаллическим фундаментом, характеризующиеся развитием трещинных вод (Украинский кристаллический массив, Анабарский массив и др.), в горно-складчатых областях - подземные воды трещинного типа.

Своеобразные гидрогеологические условия, определяющие характер циркуляции и состав подземных вод, создаются в областях развития многолетнемёрзлых горных пород, где формируются надмерзлот-ные, межмерзлотные и подмерзлотные воды.

Подземные воды - часть водных ресурсов Земли. Общие запасы подземных вод суши составляют свыше 60 млн км Они рассматриваются как полезное ископаемое. В отличие от других видов полезных ископаемых запасы подземных вод возобновимы в процессе эксплуатации. Участки водоносных горизонтов или их комплексов, в пределах которых имеются условия для отбора подземных вод определённого состава, отвечающего установленным кондициям, в количестве, достаточном для экономически целесообразного их использования, называются месторождениями подземных вод.

По характеру использования подземные воды подразделяют в России на хозяйственно-питьевые, технические, промышленные, минеральные воды и термальные воды. К подземным водам хозяйственно-питьевого типа относят пресные воды, отвечающие кондициям (с определёнными вкусовыми качествами, не содержащие вредных для здоровья человека веществ и микроорганизмов). Промышленные воды с повышенным содержанием отдельных химических элементов (I, Вг, В, 1л и др.) представляют интерес для различных отраслей промышленности. Подземные воды, содержащие специфические компоненты (газы, микрокомпоненты), используются в лечебных целях и в качестве столовых напитков.

В некоторых случаях подземные воды вызывают заболачивание и подтопление территорий, оползни, осадку грунтов под инженерными сооружениями, затрудняют проведение горных выработок, ведение горных работ в шахтах и карьерах. Для уменьшения притока подземных вод в район промышленных объектов применяют дренаж, водоотлив и осушение месторождений.

Многие качественные и количественные показатели параметров подземных вод {уровня, напора, расходов, химического и газового составов, температуры и др.) подвергаются кратковременным, сезонным, многолетним и вековым изменениям, которые определяют режим подземных вод. Последний отражает процесс формирования подземных вод во времени и в пределах определённого пространства под влиянием различных естественных режимообразующих факторов: климатических, гидрологических, геологических, гидрогеологических и факторов, создаваемых в результате деятельности человека.

Наибольшие колебания элементов режима наблюдаются в неглубоко залегающих подземных водах.

В России ежегодно составляются прогнозы режима подземных вод предвесеннего минимального, максимального и осеннего положения уровня вод зоны интенсивного водообмена. Прогнозы выпускаются в виде карт, на которых показываются изменения уровня подземных вод.

Источники подземных вод - родники, ключи и естественные выходы подземных вод на земную поверхность (на суше или под водой). Образование источников может быть обусловлено различными факторами: пересечением водоносных горизонтов отрицательными формами современного рельефа (например, речными долинами, балками, оврагами и озёрными котловинами), геолого-структурными особенностями местности (наличием трещин, зон тектонических нарушений, контактов изверженных и осадочных пород), фильтрационной неоднородностью водовмещающих пород и др.

В частности, на территории г. Пензы и его окрестностей найдено несколько активно живущих неотектонических зон, выявленных авторами (Климов, Климова, 1997, 2006). Эти зоны развиты в участках перегибов рельефа и трассируются выходами родников на всем протяжении разрывного нарушения. Длина данных разрывных структур от нескольких метров до 15 км. Последняя структура вытянута вдоль ручья Безымянный на севере г. Пензы и видна на космоснимке по ин-фильтрационным испарениям с почв. Максимальный дебит родников на территории Пензы - 4 л/с (родник «Самоварник»). Глубина заложения приповерхностных разрывных нарушений не более 50 м, реже - глубже, например, вдоль русла реки Старая Сура, на что указывает наличие минерализованных вод в Ахунах, поднимаемых скважиной с глубины в несколько сотен метров.

Существует несколько классификаций источников. По классификации отечественного гидрогеолога А. М. Овчинникова выделяются три группы источников по типу питания подземных вод.

  • 1. Источники, питающиеся водами верховодки, располагаются обычно в зоне аэрации, имеют резкие колебания дебита (вплоть до полного исчезновения в сухое время года), химического состава и температуры воды.
  • 2. Источники, питающиеся грунтовыми водами, отличаются большим постоянством во времени, но также подвержены сезонным колебаниям дебита, состава и температуры; они подразделяются на эрозионные (появляющиеся в результате углубления речной сети и вскрытия водоносных горизонтов), контактные (связанные с контактами пород различной водопроницаемости) и переливающиеся (обычно восходящие, связанные с фациальной изменчивостью пластов или с тектоническими нарушениями).
  • 3. Источники артезианских вод отличаются наибольшим постоянством режима; они расположены в областях разгрузки артезианских бассейнов.

По особенностям режима все источники можно подразделить на постоянно, сезонно и ритмически действующие. Изучение режима источников имеет важное практическое значение при использовании их для питья и лечебного водоснабжения.

По гидродинамическим признакам источники разделяются на два типа: нисходящие, питающиеся безнапорными водами, и восходящие, питающиеся напорными (артезианскими) водами.

Источники, приуроченные к пористым породам, распределены более или менее равномерно в местах выхода водоносного горизонта на поверхность. Источники в трещиноватых породах располагаются в местах пересечения трещин с поверхностью Земли. Для источников карстовых областей характерны значительные колебания в режиме, связанные с количеством атмосферных осадков.

Температура воды в источниках зависит от глубины залегания подземных вод, характера подводящих каналов, географического и гипсометрического положения источника и температурного режима субстрата, в котором заключены подземные воды. В области развития многолетнемёрзлых горных пород встречаются источники с температурой около О °С. В областях молодого вулканизма распространены горячие источники нередко с пульсирующим режимом.

Химический и газовый состав воды источников весьма разнообразен; он определяется главным образом составом разгружающихся подземных вод и общими гидрогеологическими условиями района. Оформление естественного выхода вод различных источников называется их каптажем.

Водопроницаемость горных пород - способность горных пород пропускать воду. Степень водопроницаемости зависит от размера и количества сообщающихся между собой пор и трещин, а также от расположения зёрен горных пород. К хорошо проницаемым горным породам относятся галечники, гравий, крупнозернистые пески, интенсивно закарстованные и трещиноватые породы. Практически непроницаемыми (водоупорными) породами являются глины, плотные суглинки, нетрещиноватые кристаллические, метаморфические и плотные осадочные породы.

Водопроницаемость горных пород может определяться по скорости фильтрации, равной количеству воды, протекающей через единицу площади поперечного сечения фильтрующей породы. Эта зависимость выражается формулой Дарси:

V- И,

где V - скорость фильтрации; к - коэффициент фильтрации; / -напорный градиент, равный отношению падения напора Н к длине пути фильтрации Ь

I = ЫЬ.

Коэффициент фильтрации имеет размерность скорости (см/с, м/сут). Таким образом, скорость фильтрации при напорном градиенте, равном единице, тождественна коэффициенту фильтрации.

В связи с тем, что вода в породах может передвигаться под влиянием различных причин (гидравлического напора, силы тяжести, капиллярных, адсорбционных, капиллярно-осмотических сил, температурного градиента и др.), количественная характеристика водопроницаемости горных пород может выражаться не только коэффициентом фильтрации, но и коэффициентами водопроводимости и пьезопроводности. При гидрогеологических исследованиях и расчётах коэффициента водопроводимости (произведение коэффициента фильтрации на мощность водоносного горизонта) является показателем фильтрационной способности горной породы.

В зависимости от геологического строения водоносные породы в фильтрационном отношении могут быть изотропными, когда водо-проводимость одинакова в любом направлении, и анизотропными, характеризующимися закономерным изменением водопроницаемости в разных направлениях.

Изучение водопроницаемости горных пород необходимо при поисках и разведке подземных вод для водоснабжения, при устройстве гидротехнических сооружений, эксплуатации различных типов подземных вод, при расчётах допустимых понижений уровня вод и радиусов влияния водозаборных скважин, при проектировании и осуществлении осушительных и оросительных мероприятий.

Водоносный горизонт - слой или несколько слоёв водопроницаемых горных пород, поры трещины или другие пустоты которых заполнены подземной водой. Несколько водоносных горизонтов, гидравлически связанных между собой, образуют водоносный комплекс.

Верховодка - безнапорные подземные воды, залегающие наиболее близко к земной поверхности и не имеющие сплошного распространения. Образуется верховодка за счёт инфильтрации атмосферных и поверхностных вод, задержанных непроницаемыми или слабо проницаемыми выклинивающимися пластами и линзами, а также в результате конденсации водяных паров в горных породах. Такие подземные воды характеризуются сезонностью существования: в засушливое время они нередко исчезают, а в периоды дождей и интенсивного снеготаяния возникают вновь; подвержены резким колебаниям в зависимости от гидрометеорологических условий (количества атмосферных осадков, влажности воздуха, температуры и др.). Верховодкой являются также воды, временно появляющиеся в болотных образованиях вследствие избыточного питания болот. Нередко верховодка возникает в результате утечек воды из водопровода, канализации, бассейнов и других водонесущих устройств, следствием чего может быть заболачивание местности, подтопление фундаментов и подвальных помещений. В области распространения многолетнемёрзлых горных пород верховодка относится к надмерзлотным водам.

Воды верховодки обычно пресные, слабоминерализованные, но часто бывают загрязнены органическими веществами и отличаются повышенным содержанием железа и кремнекислоты. Верховодка, как правило, не может служить хорошим источником водоснабжения. Однако при необходимости принимаются меры для искусственного сохранения верховодки: устройство прудов; отводы из рек, обеспечивающие постоянным питанием эксплуатируемые колодцы; насаждение растительности, задерживающей снеготаяние; создание водоупорных перемычек и т. п. В пустынных районах путём устройства канавок на глинистых участках - такырах, атмосферные воды отводятся на прилегающий участок песков, где создаётся линза верховодки, содержащая некоторый запас пресных вод.

Безнапорные воды - воды в наземных водоёмах, водотоках и в трубах при неполном их заполнении, а также подземные воды, имеющие свободную поверхность (водное зеркало). Подземные безнапорные воды или находятся в первом от земной поверхности водопроницаемом слое, образуя верховодку и грунтовые воды, или насыщают водопроницаемый слой горных пород, располагающийся между водоупорными породами (слоями), не достигая его водонепроницаемой кровли, - так называемые межпластовые безнапорные воды. Для практики важно, что уровень безнапорных вод в подземных горных выработках (буровых скважинах, колодцах, шурфах и т. п.) без откачки устанавливается на глубине появления подземных вод, в отличие от напорных вод, уровень которых устанавливается ниже места вскрытия водоносного пласта.

Артезианские воды (от назв. франц. провинции Артуа (лат. АМеБшт), где эти воды издавна использовались) - подземные воды, заключённые между водоупорными слоями и находящиеся под гидравлическим давлением. Залегают главным образом в доантропогено-вых отложениях, в пределах крупных геологических структур, образуя артезианские бассейны.

Вскрытые искусственным путём артезианские воды поднимаются выше кровли водоносного пласта. При достаточном напоре они изливаются на поверхность земли, а иногда даже фонтанируют. Линия, соединяющая отметки установившегося напорного уровня в скважинах, образует пьезометрический уровень.

В отличие от грунтовых вод, участвующих в современном водообмене с поверхностью земли, многие артезианские воды являются древними, и их химический состав обычно отражает условия формирования. Первоначально артезианские воды связывали с мульдообразными структурами. Однако условия, при которых образовались эти воды, весьма разнообразны; часто их можно встретить при флексурообразном асимметричном моноклинальном залегании пластов. Во многих районах артезианские воды приурочены к сложной системе трещин и разломов.

В пределах артезианского бассейна различают три области: питания, напора и разгрузки (рис. 45, 1). В области питания водоносный горизонт обычно приподнят и дренирован, поэтому воды здесь имеют свободную поверхность; в области напора уровень, до которого может подняться вода, располагается выше кровли водоносного горизонта. Расстояние по вертикали от кровли водоносного горизонта до этого уровня называется напором.

Прямой рельеф

Водоносные

горизонты

Водоупорные

породы

--- Уровень воды

Рис. 45. Артезианский бассейн:

1 - схема строения артезианского бассейна: А - пределы распространения артезианских вод: а - область питания, б - область напора, в - область разгрузки; Б - пределы распространения грунтовых вод; Н - напорный уровень выше поверхности земли; //2 - напорный уровень ниже поверхности земли; 2 - типы артезианских бассейнов (БСЭ).

В отличие от области питания, где мощность водоносного горизонта изменяется в зависимости от метеорологических факторов, в области напора мощность артезианского горизонта постоянна во времени. На границе между областью питания и областью напора в зависимости от количества поступающей атмосферной воды в различные сезоны может происходить временный переход воды со свободной поверхностью в воды напорные. В области разгрузки воды выходят на земную поверхность в виде восходящих источников. При наличии нескольких водоносных горизонтов каждый из них может иметь свой уровень, определяемый условиями питания и стока воды. Когда синклинальное залегание слоев соответствует понижениям рельефа, напоры в нижних горизонтах повышаются; при повышениях рельефа пьезометрические уровни нижних горизонтов располагаются на более низких отметках (см. рис. 45, 2). Если два водоносных горизонта сообщаются благодаря скважине или колодцу, то при обращенном рельефе артезианские воды из верхнего горизонта перетекают в нижний.

Различают артезианский бассейн и артезианский склон (рис. 46). В артезианском бассейне область питания находится рядом с областью напора; далее по направлению подземного стока располагается область разгрузки напорного горизонта. В артезианском склоне последняя размещается рядом с областью питания.

Очаг разгрузки

Водоносный

слой

Гидроизогипсы---Гидроизопьезы —

Направление движения воды

Рис. 46. Схема артезианского склона (БСЭ).

Каждый крупный артезианский бассейн заключает в себе воды различного химического состава: от высокоминерализованных рассолов хлоридного типа до пресных слабоминерализованных вод гидрокарбонатного типа. Первые обычно залегают в глубоких частях бассейна, вторые - в верхних пластах. Пресные воды верхних водоносных пластов образуются в результате инфильтрации атмосферных осадков и процессов выщелачивания горных пород. Глубокие высокоминерализованные артезианские воды связаны с измененными водами древних морских бассейнов.

Ввиду большого разнообразия гидрогеологических условий артезианские бассейны иногда называют водонапорными системами. Наиболее крупной водонапорной системой в нашей стране является Западно-Сибирский артезианский бассейн площадью 3 млн км".

Артезианский бассейн - бассейн подземных вод в пределах одной или нескольких геологических структур, заключающих напорные водоносные горизонты. Наиболее крупные артезианские бассейны в России - Западносибирский, Московский, Прикаспийский и др.; за рубежом - Австралийский. Крупные бассейны напорных вод имеются в Северной Африке, а также в восточной части Австралии.

Московский артезианский бассейн - артезианский бассейн, расположенный в центре Восточно-Европейской равнины. В геострук-турном отношении принадлежит юго-западной части Московской синеклизы. Площадь бассейна около 360 тыс. км”. Водоносные комплексы приурочены к толще карбонатно-терригенных пород от раннекембрийского до четвертичного возраста, залегающих на складчатом кристаллическом фундаменте; в соответствии с общим погружением фундамента с юго-запада на северо-восток мощность осадочных отложений изменяется от 100-300 до 4000-4500 м. Для Московского артезианского бассейна характерно наличие трех вертикальных зон, отличающихся особенностями гидродинамических и гидрохимических условий.

Верхняя зона - зона интенсивного водообмена (интенсивного подземного стока) - характеризуется хорошими условиями инфильтрации атмосферных вод, взаимодействием отдельных водоносных горизонтов, гидравлической связью подземных вод с поверхностными водотоками и водоёмами. Условия питания, стока, разгрузки и формирования ресурсов подземных вод тесно связаны с особенностями рельефа, климата, дренирующим воздействием речной сети. Эта зона мощностью 250-300 м содержит преимущественно пресные (до 1 г/л) воды гидрокарбонатного класса.

Ниже выделяется зона затруднённого водообмена, где движение подземных вод в связи с большой глубиной, слабым влиянием речных дрен, незначительной трещиноватостью пород очень замедленно. Вынос солей затруднён, в составе вод преобладают сульфаты и хлориды. Воды солоноватые и солёные с минерализацией от 5-10 до 50 г/л. Мощность зоны 300-400 м.

В наиболее глубоких частях артезианского бассейна располагается зона весьма замедленного водообмена. Скорости движения вод и процессы промыва пород здесь ничтожны, развиты рассолы высокой концентрации - от 50 до 270 г/л, состав вод хлоридный, натриевый, мощность изменяется от 400-500 до 1600-2000 м в наиболее прогнутых частях бассейна.

Пресные подземные воды бассейна издавна являются одним из источников водоснабжения Москвы и всего Центрального промышленного района Европейской части России. Ресурсы подземных вод Московского артезианского бассейна составляют до 40 % от общих водных ресурсов территории бассейна. На питание водоносных горизонтов идёт 15-20 % выпадающих атмосферных осадков. Наибольшими ресурсами обладают каменноугольные водоносные комплексы, которые широко используются в питьевых и промышленных целях.

Солёные воды и рассолы зон затруднённого и замедленного водообмена, относящиеся преимущественно к девонским и пермским отложениям, используются в лечебных и бальнеологических целях (Старая Русса, Кашин и др.). Слабоминерализованные воды (4 г/л) верхнедевонских горизонтов в районе Москвы известны как «Московская минеральная вода».

Подземные рассолы - подземные воды, содержащие растворённые минеральные вещества в повышенных концентрациях. По одним классификациям к подземным рассолам относят воды с минерализацией свыше 50 г/л, по другим - свыше 36 г/л (исходя из солёности вод Мирового океана). Подземные рассолы широко распространены в се-диментационных бассейнах, где они обычно залегают ниже пресных и солёных вод и приурочены к преобладающей по мощности части осадочного чехла. Например, в бассейнах Восточно-Европейской платформы мощность зоны пресных подземных вод варьируется от 25 до 350 м, солёных вод - от 50 до 600 м, рассолов - от 400 до 3000 м. Подземные рассолы выявлены также в осадочных толщах, залегающих под дном некоторых морей (Красное и Каспийское, Мексиканский залив и др.) и в пределах шельфов (например, вблизи полуострова Флорида), а также в зоне гипергенной трещиноватости кристаллических щитов (Балтийского, Украинского, Канадского). В аридных районах подземные рассолы насыщают донные отложения водоёмов внутреннего стока (например, солеродные озёра Индер) и солеродных морских заливов и лагун (Кара-Богаз-Гол, Бокана-де-Верила в Перу, себхи средиземноморского побережья Африки и Аравии).

По преобладающему аниону выделяют хлоридные, сульфатные и гидрокарбонатные подземные рассолы. Из них широко распространены только хлоридные (натриевые, кальциевые и магниевые). В соленосных седиментационных бассейнах по условиям залегания различают надсолевые, внутрисолевые и подсолевые подземные рассолы (надсолевые подземные рассолы преимущественно натриевые, солёность их не превышает 300-320 г/л, внутрисолевые и подсолевые подземные рассолы, как правило, многокомпонентные, солёность их до 600 г/л).

Подземные рассолы используются для получения поваренной соли, йода, брома, лития; являются потенциальным сырьём для извлечения рубидия, цезия, бора, стронция. Некоторые подземные рассолы применяются в лечебных целях в виде рассольных ванн.

Термальные воды (франц. thermal - тёплый, от греч. therme -тепло, жар) - подземные воды земной коры с температурой от 20 °С и выше. Глубина залегания изотермы 20 °С в земной коре от 1500— 2000 м в районах многолетнемёрзлых пород до 100 м и менее в районах субтропиков; на границе с тропиками изотерма 20 °С выходит на поверхность. В артезианских бассейнах на глубине 2000-3000 м скважинами вскрываются воды с температурой 70-100 °С и более. В горных странах (например, Альпы, Кавказ, Тянь-Шань, Памир) термальные воды выходят на поверхность в виде многочисленных горячих источников (температура до 50-90 °С), а в районах современного вулканизма проявляют себя в виде гейзеров и паровых струй (здесь скважинами на глубине 500-1000 м вскрываются воды с температурой 150— 250 °С), дающих при выходе на поверхность пароводяные смеси и пары (Паужетка на Камчатке, Большие Гейзеры в США, Уайракей в Новой Зеландии, Лардерелло в Италии, гейзеры в Исландии и др.).

Химический, газовый состав и минерализация термальных вод разнообразны: от пресных и солоноватых гидрокарбонатных и гидро-карбонатно-сульфатных, кальциевых, натриевых, азотных, углекислых и сероводородных до солёных и рассольных хлоридных, натриевых и кальциево-натриевых, азотно-метановых и метановых, местами сероводородных.

Издавна термальные воды находили применение в лечебных целях (римские, таджикистанские, тбилисские термы). В России пресные азотные термы, богатые кремнекислотой, используют известные курорты - Белокуриха на Алтае, Кульдур в Хабаровском крае и др.; углекислые термальные воды - курорты Кавказских Минеральных Вод (Пятигорск, Железноводск, Ессентуки), сероводородные - курорт Со-чи-Мацеста (Сочи). В бальнеологии термальные воды подразделяют на тёплые (субтермальные) 20-37 °С, термальные 37-42 °С и гипертермальные - свыше 42 °С.

В районах современного и недавнего вулканизма в Италии, Исландии, Мексике, России, США, Японии работает ряд электростанций, использующих перегретые термальные воды с температурой выше 100 °С. В России и других странах (Болгария, Венгрия, Исландия, Новая Зеландия, США) термальные воды применяют также для теплоснабжения жилых и производственных зданий, обогрева тепличнопарниковых комбинатов, плавательных бассейнов и в технологических целях (Рейкьявик полностью обогревается теплом термальных вод). В России организованы теплоснабжение микрорайонов городов Кизляр, Махачкала, Черкесск; обогрев теплично-парниковых комбинатов на Камчатке и Кавказе. В теплоснабжении термальные воды делятся на слаботермальные - 20-50 °С, термальные - 50-75 °С, высокотермальные - 75—100 °С.

Минеральные воды - подземные (иногда поверхностные) воды, характеризующиеся повышенным содержанием биологически активных минеральных (реже органических) компонентов и (или) обладающие специфическими физико-химическими свойствами (химический состав, температура, радиоактивность и др.), благодаря которым они оказывают на организм человека лечебное действие. В зависимости от химического состава и физических свойств минеральные воды используют в качестве наружного или внутреннего лечебного средства.

Закономерности образования и распространения минеральных подземных вод. Процесс образования минеральных вод ещё недостаточно изучен. При характеристике их генезиса различают происхождение самой подземной воды, присутствующих в ней газов и ионносолевого состава.

В формировании минеральных вод участвуют процессы инфильтрации поверхностных вод, захоронения морских вод во время осад-конакопления, высвобождения конституционной воды при региональном и контактовом метаморфизме горных пород и вулканические процессы. Состав минеральных вод обусловлен историей геологического развития, характером тектонических структур, литологии, геотермических условий и другими особенностями территории. Наиболее мощные факторы, формирующие газовый состав минеральных вод, - метаморфические и вулканические процессы. Выделяющиеся во время этих процессов летучие продукты (ССЬ, НС1 и др.) поступают в подземные воды и придают им высокую агрессивность, способствующую выщелачиванию вмещающих пород и формированию химического состава, минерализации и газонасыщенности воды. Ионносолевой состав минеральных вод формируется при участии процессов растворения соленосных и карбонатных отложений, катионного обмена и др.

Газы, растворённые в минеральных водах, служат показателями геохимических условий, в которых шло формирование данной минеральной воды. В верхней зоне земной коры, где преобладают окислительные процессы, минеральные воды содержат газы воздушного происхождения - азот, кислород, углекислоту (в незначительном объёме). Углеводородные газы и сероводород свидетельствуют о восстановительной химической обстановке, свойственной глубоким недрам Земли; высокая концентрация углекислоты позволяет считать воду сформировавшейся в условиях метаморфической обстановки.

На поверхности Земли минеральные воды проявляются в виде источников, а также выводятся из недр буровыми скважинами (глубина может достигать нескольких километров). Для практического освоения выявляются месторождения подземных минеральных вод со строго определёнными эксплуатационными запасами.

На территории нашей страны и зарубежных стран выделяются провинции минеральных вод, каждая из которых отличается гидрогеологическими условиями, особенностями геологического развития, происхождением и физико-химическими характеристиками минеральных вод.

Достаточно изолированные пластовые системы артезианских бассейнов представляют собой провинции солёных и рассольных вод разнообразного ионного состава с минерализацией до 300-400 г/л (иногда до 600 г/л); они содержат газы восстановительной обстановки (углеводороды, сероводород, азот). Складчатые регионы и области омоложенных платформ соответствуют провинциям углекислых минеральных вод (холодных и термальных) различной степени минерализации. Области проявления новейших тектонических движений относятся к провинции азотных слабоминерализованных щелочных, часто кремнистых терм и др. Территория России особенно богата углекислыми минеральными водами (Кавказская, Забайкальская, Приморская, Камчатская и другие провинции).

В зависимости от структурной приуроченности и связанных с этим гидродинамических и гидрогеохимических условий в нашей стране выделяются следующие типы месторождений минеральных вод: месторождения платформенных артезианских бассейнов (Кашинское, Старорусское, Тюменское, Сестрорецкое и др.); предгорных и межгорных артезианских бассейнов и склонов (Чартакское, Нальчикское и др.); артезианских бассейнов, связанных с зонами восходящей разгрузки минеральных вод (Нагутское, Ессентукское); трещинножильных вод гидрогеологических массивов (Белокурихинское и др.); гидрогеологических массивов, связанных с зонами восходящей разгрузки минеральных вод в горизонты грунтовых вод (Дарасунское, Шивандинское, Шмаковское и др.); грунтовых минеральных вод (Марциальные воды, Увильдинское, Кисегачское, Боровое и др.).

Лечебное действие минеральных вод. Минеральные воды оказывают на организм человека лечебное действие всем комплексом растворённых в них веществ, а наличие специфических биологически активных компонентов (СО2, НгБ, Аб и др.) и особых свойств часто определяет методы их лечебного использования. Основными критериями оценки лечебности минеральных вод в курортологии являются особенности их химического состава и физических свойств.

Минерализация минеральных вод, т. е. сумма всех растворимых в воде веществ - ионов, биологически активных элементов (исключая газы), выражается в граммах на 1 л воды. По минерализации различа-

ют слабоминерализованные минеральные воды (1-2 г/л), малой (2-5 г/л), средней (5-15 г/л), высокой (15-30 г/л) минерализации, рассольные минеральные воды (35-150 г/л) и крепкорассольные (150 г/л и выше). Для внутреннего применения используют обычно минеральные воды с минерализацией от 2 до 20 г/л.

По ионному составу минеральные воды подразделяют на хлорид-ные (СГ), гидрокарбонатные (НСОз~), сульфатные (ЭО/-), натриевые (14а ), кальциевые (Са- ), магниевые (М^ ) в различных сочетаниях анионов и катионов. По наличию газов и специфических элементов выделяют углекислые, сульфидные (сероводородные), азотные, бромистые, йодистые, железистые, мышьяковистые, кремниевые, радиоактивные (радоновые) и др. По температуре различают холодные (до 20 °С), тёплые (20-37 °С), горячие (термальные, 37-42 °С), очень горячие (высокотермальные, от 42 °С и выше) минеральные воды. В медицинской практике большое значение придают содержанию органических веществ в маломинерализованных водах, так как эти вещества определяют специфические свойства минеральных вод. Содержание этих веществ выше 40 мг/л делает минеральные воды не пригодными для внутреннего применения.

Разработаны специальные нормы, дающие возможность оценивать пригодность природных вод для лечения (табл. 40).

Таблица 40

Нормы отнесения вод к категории минеральных

Определяющие показатели

Нижние пределы, мг/л

Твёрдые составные части

2000

Углекислота(свободная)

500

Сероводород (общий)

10

Железо

20

Мышьяк (элементарный)

0,7

Бром

25

Йод

5

Кремниевая кислота

50

Радон

182 000 распадов/с-м3

Минеральные воды используют на курортах для питьевого лечения, ванн, купаний в лечебных бассейнах, всевозможных душей, а также для ингаляций и полосканий при заболеваниях горла и верхних дыхательных путей, для орошения при гинекологических заболеваниях и т. п. Минеральные воды имеют также наружное применение.

Минеральные воды применяют внутрь и во внекурортной обстановке, когда пользуются привозными водами, разлитыми в бутылки. Сейчас в нашей стране бесчисленное множество заводов и цехов по бутылочному разливу минеральной воды. Налитая в бутылки вода насыщается двуокисью углерода для сохранения её химических свойств и вкусовых качеств. Вода должна быть бесцветной, абсолютно чистой. Лечение бутылочной минеральной водой должно сочетаться с соблюдением определенного режима, диеты и использованием дополнительных лечебных факторов (физиотерапии, медикаментозного лечения, гормональной терапии и т. п.).

Минеральные воды, преимущественно невысокой минерализации, а также содержащие ионы кальция, обладают выраженным диуретическим (мочегонным) действием и способствуют выведению из почек, почечных лоханок и мочевого пузыря бактерий, слизи, песка и даже мелких конкрементов. Применение минеральной воды противопоказано, например, при сужении пищевода и привратника желудка, резком опущении желудка, сердечно-сосудистых заболеваниях, сопровождающихся отёками, нарушениях выделительной способности почек и т. д. Лечение минеральными водами должно проводиться по назначению врача и под медицинским контролем.

Искусственные минеральные воды изготовляют из химически чистых солей, состав которых совпадает с составом естественных. Однако полного тождества состава искусственных и естественных минеральных вод не достигается. Особые затруднения вызывает имитация состава растворённых газов и свойств коллоидов. Из искусственных минеральных вод широкое распространение получили лишь углекислые, сероводородные и азотные, которые применяют главным образом для ванн. Центральным институтом курортологии и физиотерапии (г. Москва) предложены методы приготовления некоторых питьевых минеральных вод, которые имеют высокую терапевтическую ценность (Ессентуки № 4 и 17, Боржоми, Баталинской). С каждым годом количество бальнеологических питьевых курортов и буровых скважин, выводящих минеральные воды, увеличивается.

Некоторые минеральные воды применяют в качестве освежающего, хорошо утоляющего жажду столового напитка, способствующего повышению аппетита и употребляемого вместо пресной воды, без каких-либо медицинских показаний. В ряде районов России обычная питьевая вода достаточно сильно минерализована и вполне обосновано употребляется в качестве столового напитка. Можно использовать в качестве столовых минеральных вод подземные воды хлоридно-натриевого типа с минерализацией не выше 4-4,5 г/л (для гидрокарбонатных вод - около 6 г/л).

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>