Геологическая деятельность подземных вод.

К подземным относятся все воды, находящиеся в почвах и горных породах земной коры в любых физических состояниях, включая и химически связанную.

Виды воды в горных породах.

1. Вода в форме пара (парообразная) находится в воздухе, который заполняет поры и трещины горных пород, свободные от жидкой воды. Находится в динамическом равновесии с другими видами воды и с парами воды в атмосфере, активно перемещается в порах породы.

2. Физически связанная вода.

а)прочносвязанная (гигроскопическая) вода образуется из паров воды на поверхности частиц горных пород, она облекает частицы породы одномолекулярной пленкой, прочно удерживающейся молекулярными и электростатическими силами.

б)рыхлосвязанная (пленочная) вода образует на поверхности частиц как бы вторую пленку поверх прочносвязанной. Пленка прочно держится на частицах силами молекулярного притяжения, что не может даже отделиться от них под влиянием силу тяжести. Эта вода передвигается от более толстых пленок к менее тонким до их выравнивания.

3.Капиллярная вода заполняет полностью или частично поры и трещины горных пород, если диаметр пор не превышает 1 мм, и их называют капиллярными порами. Вода в них удерживается силами поверхностного натяжения (капиллярных менисков). Столбик воды, заполняющий капиллярную пору, ограничен сверху и снизу вогнутыми поверхностями - менисками. Каждый из этих менисков стремится сдвинуть столбик воды в свою сторону. Пока пора заполнена водой на небольшом протяжении действия верхнего и нижнего менисков уравновешивают друг друга, и вода остается неподвижной, как бы в подвешенном состоянии. Это капилярно-подвешенная вода, она широко распространена в природе. Образуется в почвах и песчано-суглинистых породах зоны аэрации за счет инфильтрации атмосферных осадков. Вода доступна для растений, при длительном испарении в засуху может исчезнуть совсем.

Капилярно-подтянутая вода располагается над уровнем грунтовых вод. В этом случае в поре отсутствует нижний мениск, а верхний мениск как бы засасывает воду вверх с тем большей силой, чем тоньше пора. Высота подъема воды зависит от диаметра пор. В песчаных грунтах 03-0,6 м, в суглинках 1,2-1,6 м, в глинах 3-4 м.

Противоположное явление наблюдается, когда порода с капиллярными порами будет сверху залита водой, после дождей образовались лужи, под такими лужами у пор есть только нижние мениски. Они как бы засасывают воду на глубину, даже в слабопроницаемые породы.

4.Гравитационная (свободная) вода заполняет поры и трещины горной породы и свободно передвигается под влиянием силы тяжести или гидродинамического напора. Подразделяется на просачивающуюся воду и воду грунтового потока. Просачивающаяся вода в зоне аэрации и передвигается сверху вниз под влиянием силы тяжести до тех пор, пока не встретит водоупорный пласт. После этого движение воды происходит под влиянием напора в виде грунтового потока.

5.Вода в твердом состоянии. Присутствует в горных породах в виде кристалликов льда. Образуется при сезонном промерзании водонасыщенных горных пород, особенно развита в областях развития многолетнемерзлых пород (в Сибири, Канаде, на Аляске и других районах).

6.Кристаллизационная (химически связанная) вода участвует в построении кристаллической решетки минералов в виде нейтральной молекулы Н₂О. Например, гипс CaSO₄ 2Н₂О.

Водопроницаемость горных пород.

Водопроницаемость - свойство породы пропускать сквозь себя гравитационную воду. Определяется пористостью и трещиноватостью породы. По степени водопроницаемости все горные породы подразделяются на три группы: 1)водопроницаемые - пески, гравий, галечники, трещиноватые скальные породы; 2)слабопроницаемые - супеси, лёссы, легкие суглинки, неразложившийся торф и др.; 3)относительно водонепроницаемые, или водоупоры,- глины, тяжелые суглинки, разложившийся торф, нетрещиноватые скальные породы.

Происхождение подземных вод.

1.Инфильтрационные подземные воды образуются в результате просачивания (инфильтрации) в горные породы атмосферных осадков и поверхностных вод.

2.Конденсационные подземные воды образуются в результате конденсации водяных паров воздуха в порах и трещинах горных пород, что объясняется разностью упругости водяных паров атмосферного и почвенного воздуха.

3.Седиментогенные подземные воды - воды морского происхождения, образуются в процессе накопления морских осадков.

4.Магматогенные (ювенильные) подземные воды (по Э.Зюссу, 1902) образовались из паров, выделившихся из магмы при ее остывании.

5.Возрожденные, или дегидрационные, воды образуются при выделении воды из минеральных масс, содержащих кристаллизационную воду. Процессы дегидратации возможны при повышенных температурах и давлениях (например, при дегидратации гипс переходит в ангидрит.

Типы подземных вод

По условиям залегания и гидравлическим признакам подземные воды подразделяются на:

1. Почвенные воды залегают у дневной поверхности в почвенном горизонте в зоне аэрации. Имеют сезонный характер. Источник- атмосферные осадки, таяние снега, конденсация атмосферной влаги.

2. Верховодка - временное скопление воды в зоне аэрации на поверхности небольших линз водонепроницаемых пород. Образуется на небольшой глубине от поверхности в результате инфильтрации атмосферных осадков. Мощность пород, насыщенных верховодкой, от 0,5 до 2-3м, резко больше. Наибольшая насыщенность верховодкой наблюдается весной и осенью, в остальное время количество воды уменьшается, или совсем иссякает.

3. Грунтовые воды - постоянные во времени и значительные по площади распространения горизонты подземных вод, залегающие на первом от поверхности водоупоре. Они имеют свободную поверхность, называемую зеркалом или уровнем. Водоупор, на котором лежит водоносный слой, называют водоупорным ложем, а расстояние от водоупора до зеркала грунтовых вод - мощностью водоносного горизонта. Чтобы знать высотное положение уровня грунтовых вод и их изменение во времени и по площади строят специальные карты гидроизогипс (греч. “изос”- равный, “гипсос”-высота­). Грунтовые воды безнапорны. Выше уровня грунтовых вод располагается капиллярная кайма (зона капиллярного поднятия). Питание - инфильтрация атмосферных осадков, вод из поверхностных водоемов и рек. Грунтовые воды находятся в непрерывном движении, образуют потоки, направленные в сторону общего уклона водоупора, в направлении оврагов, рек, озер, морей, где происходит их разгрузка в виде источников. Такие области называются областями разгрузки, или дренирования (франц. “дренаж”- сток). Движение грунтовых вод через мелкие поры и тонкие трещины - ламинарное (параллельно-струйчатое), а в сильно трещиноватых и закарстованных породах иногда приобретает турбулентный характер.

4. Межпластовые ненапорные воды залегают между водоупорными пластами. Встречаются редко, по условиям передвижения аналогичны грунтовым. Обычно залегают в пластах, лежащих выше базиса эрозии данной местности.

5. Напорные (артезианские воды) находятся в водоносном горизонте, залегающем между двумя водоупорными пластами. Водоносные горизонты располагаются на больших пространствах вне сферы воздействия местных дрен (рек, оврагов и других понижений). Залегают в отрицательных структурах земной коры: в мульдах (нем. “мульде”- корыто), в предгорных и межгорных прогибах, при моноклинальном залегании горных пород. По условиям залегания пород выделяют артезианские бассейны и артезианские склоны. Артезианские бассейны - совокупность напорных водоносных горизонтов, залегающих в синеклизах, прогибах, впадинах. Для напорных вод различают области: питания, напора, разгрузки. Область питания - выход на поверхность водоносных пород, расположенных на наивысших гипсометрических отметках. Область разгрузки (дренирования) -место выхода на поверхность водоносного горизонта на более низком гипсометрическом уровне по сравнению с областью питания. Область напора - основная площадь распространения артезианских вод. Уровень напора характеризует пъезометрический уровень - линия, соединяющая уровни стояния воды в областях питания и разгрузки. Он может быть выше поверхности земли и ниже ее. В первом случае, выходя через скважины, вода фонтанирует, во втором - поднимается лишь до пъезометрического уровня.

Артезианские бассейны содержат значительные запасы воды хорошего качества и широко используются для питьевого и промышленного водоснабжения. Крупные бассейны: Московский, Днепровско-Донецкий, Западно-Сибирский, Парижский и др. В разрезе каждого артезианского бассейна выделяется несколько напорных водоносных горизонтов.

При моноклинальном залегании водоносного горизонта формируется асимметричный артезианский бассейн, названный артезианским склоном. В этом случае области питания и разгрузки располагаются близко друг от друга.

Источники.

Естественные выходы подземных вод на поверхность называют источниками (ключ, родник, криница на Украине).Образуются в результате пересечения водоносного горизонта поверхностью рельефа, приурочены к долинам рек, оврагов, к берегам озер, морей. Выделяют два типа источников: нисходящие и восходящие.

Нисходящие источники связаны с подземными водами со свободной поверхностью - верховодкой, грунтовыми и безнапорными межпластовыми водами. Дебит нисходящих источников не постоянен во времени, подвержен сезонным изменениям. Дебит источника - это интенсивность выхода воды в единицу времени, исчисляется в л/с или м3/сут. Источник, выход которого улучшен человеком, называется каптированным.

Восходящие источники - выходы напорных вод в местах их разгрузки (дренирования). Если восходящие источники наблюдаются в морских водоемах, то они называются субмаринными источниками подземных вод (на дне Средиземного моря, в Атлантическом , Тихом, Индийском океанах).

Общая минерализация и химический состав подземных вод.

Общую минерализацию подземных вод составляет сумма растворенных в них веществ в г/л или мг/л. По классификации В.И.Вернадского, О.А.Алекина и других выделяют 4 группы подземных вод: 1)пресные - с общей минерализацией до 1г/л;)рассолы - больше 50 г/л. 2)солоноватые - от 1 до 10 г/л; 3)соленые - от 10 до 50 г/л; 4

Сочетание различных элементов придает воде такие свойства, как жесткость, щелочность, соленость

Ca(HCO₃)₂ Ca(HCO₃)₂ CaSO₄

Mg(HCO₃)₂ Mg(HCO₃)₂ MgSO₄

Na HCO₃ CaSO₄ CaCl₂

щелочность MgSO₄ MgCl₂

CaCl₂ Na₂SO₄

MgCl₂ NaCl

жесткость соленость

Основной химический состав подземных вод определяется тремя анионами - HCO₃- , SO₄ 2- , Cl- и тремя катионами - Ca2+ , Mg2+ , Na+. По анионам выделяют 3 типа воды: 1)гидрокарбонатные, 2)сульфатные, 3)хлоридные и ряд промежуточных. По соотношению с катионами они могут быть Ca, Mg, Na и смешанными.

В артезианских бассейнах наблюдается вертикальная гидрохимическая зональность: 1).Зона активного водоема, воды движутся от области питания к области разгрузки и выходят в виде источников. Состав гидрокарбонатно-кальциевые. 2).Зона замедленного водообмена располагается глубже. Минерализация вод увеличивается, состав становится гидрокарбонатно-сульфатным, сульфатным и хлоридно-сульфатным. 3).Зона весьма замедленного водообмена (самая нижняя), в которой обновление подземных вод происходит в течение миллиона или многих миллионов лет. Соленость вод повышенная или даже рассолы в основном сульфатно- хлоридного, особенно хлоридного типа. Минеральные воды.

Минеральными называются подземные воды, обладающие биологически активными свойствами, используемые в лечебных целях. По температуре воды делятся на:

-холодные с t до 200С,

-теплые, или субтермальные, при t 20-370С,

-термальные при 37-420С,

-горячие, или гипотермальные, выше 420С.

По составу , свойствам и лечебному значению различают несколько групп:

Углекислые минеральные воды, постоянно газирующие углекислотой: 1)пресные или солоноватые холодные углекислые воды (Кисловодск - нарзаны), 2)горячие углекислые воды (t - 37-400С, местами 700С и выше типа Славянской (Железноводск), Карловы Вары (ЧСФР), Джермук (Армения) и другие.

Сероводородные или сульфидные минеральные воды (лечебные свойства определяются созданием в них свободного сероводорода).

По концентрации сероводорода подразделяются на:

-воды слабой концентрации (10-50 мг/л),

-средней (50-100мг/л),

-крепкой (100-250 мг/л).

По условиям формирования различаются азотные, сероводородные, метановые воды.

Радиоактивные минеральные воды характеризуются повышенным содержанием радиоактивных элементов. Для лечебных целей используются радоновые воды (Цхалтубо-Грузия, Белокуриха - Алтайский край). Выделяют : а)холодные радоновые воды в корах выветривания, б)термальные радоновые воды, приуроченные к тектаническим трещинам в гранитных интрузиях, залегающих неглубоко.

Карстовые процессы.

Карст - процесс растворения и выщелачивания трещиноватых растворимых горных пород поверхностными и подземными водами и образовании отрицательных форм рельефа на поверхности Земли и различных пустот, пещер и каналов в глубине. К растворимым породам относятся соли, гипс, известняк, доломит и др., отсюда различают карст соляной, гипсовый, карбонатный. Наиболее растворимы соли, затем гипс, но соляной и гипсовый карст - явления довольно редкие, т.к. породы эти мало распространены и обычно они залегают среди водоупорных глинистых пород, кроме того соли и гипсы имеют массивное сложение и не трещиноваты. Наиболее распространен и изучен карбонатный карст. Условия возникновения и развития карста: 1)наличие растворимых трещиноватых горных пород; 2)наличие проточной воды и степень ее минерализации (сильно растворяет слабоминерализованная вода, и вода, содержащая углекислоту); 3)значительная мощность карстующихся пород; 4)низкий уровень подземных вод.

Различают открытый, или голый карст, когда растворимые породы выходят на поверхность и покрытый, когда они сверху перекрыты нерастворимыми породами.

Поверхностные формы карста.

Карры - мелкие желоба, борозды, щели на поверхности карстующихся пород, глубиной от нескольких сантиметров до 1-2 м.

Поноры - вертикальные или наклонные отверстия в горных породах, поглощающие воду и отводящие ее в глубину закарстованного массива.

Карстовые воронки. Выделяют два типа: 1)воронки поверхностного выщелачивания, образующиеся в результате растворения, постепенного углубления и расширения открытых трещин дождевыми и снеговыми водами; 2)провальные воронки возникают при обрушении кровли над подземными пустотами.

Котловины и полья (славянск. “полье”- поле) - крупные замкнутые понижения с крутыми склонами высотой в десятки, иногда сотни метров и выровненным дном.

Карстовые колодцы , шахты и пропасти достигают местами глубин более 1000м, они являются как бы переходными формами от поверхностных к подземным.

Подземные карстовые формы.

Сюда относятся разнообразные каналы и пещеры. Самые крупные подземные формы - пещеры, представляющие собой систему горизонтальных или наклонных каналов, иногда ветвящихся, соединенных узкими ходами, иногда расходящихся и образующих огромные залы или гроты. Во многих пещерах протекают ручьи, реки, имеются озера.

Суффозия.

Суффозия -лат. подкапывание, подрывание. Различают два вида суффозии - механическую и химическую. При механической суффозии фильтрующаяся вода выносит во взвешенном состоянии целые частицы; при химической суффозии вода растворяет частицы породы (гипс, соли, карбонаты) и выносит их в растворенном состоянии. В результате суффозии - выносе подземными водами твердых частичек из водоносного слоя и уменьшает объем этой породы проседает вышележащая толща и на поверхности образуются замкнутые понижения: блюдца, западины, воронки. Могут возникать пустоты внутри породы, не имеющие внешнего проявления.

Процессам суффозии подвержены тонко-мелкозернистые пески, лёссы, суглинки, глины.

Практическое значение карста.

При любых видах строительства в районах развития растворимых горных пород нужно тщательно изучать поверхностные и подземные карстовые формы. Известны следующие карстовые явления: 1)провалы и просадки жилых зданий над подземными пустотами; 2)деформации железнодорожного полотна; 3)утечка воды из водохранилищ; 4)поступление карстовых вод в шахты и рудники при разработке полезных ископаемых.

Гравитационные процессы.

Гравитационные процессы обусловлены перемещением горных пород по поверхности Земли под действием силы тяжести из возвышенных участков рельефа в пониженные. Это происходит на склонах гор, морских и речных склонах, поэтому их часто называют склоновыми. В результате гравитационных процессов происходит разрушение горных пород, главным образом в верхней части склона, перемещение разрушенного материала вниз по склону и накоплению у его подножия. Склоновые отложения называются коллювием. Коллювий состоит из разнообразных по составу и размерам обломков: глыб, щебня, песка, алевритовых и пелитовых частиц. В широком смысле коллювий включает и делювий, а в узком смысле - только грубообломочные обвальные и осыпные накопления.

Обвалы возникают на обрывистых отвесных склонах, сложенных скальными горными породами. Образованию обвалов способствует трещиноватость пород нетектонического и тектонического происхождения. Наиболее крупные обвалы могут быть вызваны землетрясением. Морфологическим результатом обвалов является образование стенок срыва и ниш в верхней части склона и накопление продуктов обрушения у их подножий.

Осыпные отложения формируются в процессе перемещения преимущественно щебнистого материала вниз по склону под действием силы тяжести. По сравнению с обвалами, осыпной процесс медленный, но протекающий постоянно. Активизации процесса способствуют крутые незадернованные склоны, интенсивное физическое выветривание.

Оползни.

Оползни - отрыв земляных масс и слоистых горных пород и перемещение их по склону под влиянием силы тяжести. Оползшую массу называют оползневым телом. Поверхность, по которой происходит отрыв горных пород от склона и оползание вниз, называется поверхностью скольжения. В поперечном разрезе оползневое тело обычно выражено террасовидной ступенью. По механизму смещения А.П.Павлов выделил два типа оползней:

1). Деляпсивные (падение), когда горные породы соскальзывают под влиянием собственного веса, в оползневом теле сохраняется последовательность слоев, несколько запрокинутых в сторону

ненарушенной части склона.

2). Детрузивные (лат. детрузио - сталкивание), когда смещение происходит под напором или при толкании вышерасположенных (оторвавшихся от склона и сползающих) блоков.

Причины оползания: подмыв берега рекой, морем; суффозия и гидродинамическое давление подземных вод; нагрузка на склон искусственных сооружений; землетрясения; изменение физического состояния и ослабление прочности пород при их увлажнении; выветривание и т.д.; падение пород в сторону реки, моря.

Оползни развиты по берегам Волги, Камы, Оки, Днепра и других рек, на Черноморском побережье Крыма, Кавказа.

Меры борьбы с оползнями.

1. Дренаж (перехват и отвод подземных и поверхностных вод от склона).

2. Выполаживание склона.

3. Устройство подпорных стенок.

4. На морских побережьях - устройство волноломов, создание широких пляжей.

5. Строить на склонах и около их бровок нельзя.

5. Производство взрывных и горных работ вблизи оползневой зоны.

6. Уничтожение растительности на склонах.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: