Ковалёв С.Г. (и др.) Общая геология с основами гидрогеологии и гидрологии

Подождите немного. Документ загружается.

121

Малая ось озера (l

, м) проводится в месте наибольшей ширины озера

перпендикулярно к большой оси.

Степень извилистости береговой линии озера (m) выражается коэф-

фициентом извилистости береговой линии, который определяется как от-

ношение длины береговой линии (

S) к длине окружности круга (S

), пло-

щадь которого (

ωω

, м

) равна площади озерной поверхности:

m =

πω

πωπω

πω

= .

Объем воды в озере (V,м

) определяется по плану озера в изобатах. Изо-

батные поверхности делят объем озера на ряд слоев, каждый из которых

можно рассматривать приближенно как призму, основаниями которой бу-

дут площади смежных изобат, а высота равна сечению между ними. Обо-

значив площади, ограниченные отдельными изобатами, через

ωω

, …

ωω

а сечение их через h, объем воды в озере определим по формуле:

V = ,Vh

...h

n1n32

∆

∆∆

∆

ωω

−

−−

−

где

∆

∆∆

∆

V – объем, заключенный между площадью последней самой глубо-

кой изобаты и точкой дна озера с максимальной глубиной (в м

), значение

∆

∆∆

∆

V определяется приближенно по формуле:

∆

∆∆

∆

V = )hh(

nmaxn

−

−−

−

ωω

где

max

– максимальная глубина озера в метрах; h

– глубина, соответст-

вующая наибольшей изобате в метрах;

ωω

– площадь последней (самой

глубокой) изобаты (в м

Средняя глубина озера (h

ср

, м) определяется отношением объема воды

к величине площади зеркала (

ωω

), т. е.

ср

ωω

Питание и водный баланс озер. Питание озер происходит поверхно-

стными и подземными водами. Поверхностное питание включает атмо-

сферные осадки, выпадающие на поверхность озера, приток речных вод и

конденсацию водяных паров воздуха на поверхности озера. Подземное

питание осуществляется за счет притока подземных вод. Значение каждо-

го вида питания (поверхностного или подземного) различно для разных

озер. Атмосферные осадки и приток речных вод являются основными ис-

точниками питания озер. Конденсация водяных паров из атмосферы в

питании озер составляет ничтожную долю и наблюдается в то время, ко-

122

гда температура поверхностных слоев воды в озере ниже температуры

воздуха. Подземное питание бывает значительным для озер, расположен-

ных в карстовых районах.

Расход воды из озера происходит при испарении, а также путем по-

верхностного и подземного стока. Кроме того, часть воды из озера может

быть изъята для хозяйственных нужд человека. Испарение зависит от

климатических условий, оно тем больше, чем суше климат. Для некото-

рых озер испарение является основным видом потерь воды. Поверхност-

ный сток из озера определяется количеством воды, забираемой вытекаю-

щими из него реками. Подземный сток из озер зависит от гидрогеологиче-

ских условий; он велик при наличии карстовых и рыхлых пород.

Соотношение прихода воды в озеро и убыли ее за некоторое время

может быть выражено уравнением водного баланса, которое имеет сле-

дующий вид:

X + c + Q + q = Z + Y + r + B

±±

∆

∆∆

∆

где X – атмосферные осадки, Q – приток речных вод, с – конденсация, q –

приток подземных вод,

Z – испарение, Y – речной сток из озера, r – под-

земный сток,

В – потребление воды на хозяйственные нужды,

±±

∆

∆∆

∆

v – из-

менение объема в озере, зависящее от соотношения приходной и расход-

ной частей водного баланса. Повышенное питание озера весной (снего-

таяние, дожди) вызывает увеличение приходной части уравнения водного

баланса, и в это время происходит увеличение объема воды в озере. В за-

сушливое время года расход воды из озера превышает приход ее и в озере

происходит уменьшение ранее накопленных запасов воды. Поэтому член

уравнения водного баланса

±±

∆

∆∆

∆

v имеет знак плюс или минус. Изменение

запасов воды в озере определяется из соотношения:

∆

∆∆

∆

v =

ωω

ω∆

∆∆

∆Η

ΗΗ

где

ωω

– площадь зеркала озера, а

∆

∆∆

∆Η

ΗΗ

– изменение уровня воды, соответст-

вующее изменению объема

∆

∆∆

∆

Приведенное выше уравнение водного баланса примет упрощенный

вид, если отдельные его составляющие можно приравнять к нулю. На-

пример, для бессточного озера –

Y = 0; для среднего по водности года за

многолетний период можно считать, что приток и сток подземных вод вза-

имно уравновешиваются, т. е.

q = r; накопление воды в озере за отдельные

годы компенсируется расходованием ее в другие годы, и поэтому измене-

ние запасов воды в озере в среднем за многолетний период можно принять

равным нулю. В таком случае уравнение водного баланса примет вид:

Х + с + Q = Z + В.

Величины, входящие в уравнение водного баланса, должны быть вы-

123

ражены в одних мерах (в м

Все озера по

характеру водообмена делятся на сточные и бессточные.

Сточные озера имеют постоянный сток в виде вытекающих из них рек.

Они располагаются в основном в районах влажного и умеренного клима-

та, например Байкал, Ладожское, Виктория, Великие озера США и др.

Озера, находящиеся в карстовых областях, имеют не поверхностный, а

интенсивный подземный сток и называются подземно-сточными. Некото-

рые сточные озера имеют сток в течение всего года, некоторые – только в

период наибольшего накопления воды и называются временносточными.

Бессточные озера не имеют вытекающих рек, и расход влаги из них

происходит путем испарения. Располагаются они в засушливых районах,

например, Каспийское, Аральское, озера Северного Казахстана и др.

По

условиям питания поверхностными водами все озера разделяются на:

1) приточные, имеющие поверхностный приток в виде рек и ручьев;

2) бесприточные, не имеющие притоков;

3) приточно-сточные, имеющие впадающие и вытекающие реки.

Частным случаем такого рода озера являются проточные озера, напри-

мер Зайсан, Кубенское, Боденское, Чудское. Чудское озеро является как

бы расширенным участком р. Великой.

Химический состав озерных вод. Химизм озерных вод обусловлива-

ется рядом факторов, из них главными являются: питание озера (поверх-

ностное и подземное), геологическое строение бассейна, климатические

характеристики (температура, испарение, осадки), наличие притоков и др.

Основная масса растворенных минеральных солей поступает в озеро вме-

сте с впадающими в него притоками и поверхностными водами, стекаю-

щими с бассейна озера, которые, растворяя некоторые горные породы

(гипс, каменную соль и др.), слагающие бассейн и озерную котловину,

минерализуются. Сухой климат способствует повышенному испарению и

концентрации растворенных солей.

Изменение водного баланса озера оказывает влияние на минерали-

зацию его воды. В бессточных озерах происходит повышение минерали-

зации за счет накопления солей, приносимых притоками, в то время как

чистая вода испаряется. В сточных же озерах вода все время обновляется.

Биологические процессы, происходящие в озерах, также оказывают влия-

ние на изменение химического состава воды. Сбросы промышленных и

хозяйственных вод в озеро в значительной мере изменяют химический

состав воды в нем.

По химическому составу вода озер отличается разнообразием; основ-

ные ионы, находящиеся в озерной воде, следующие: кальций (Са

), маг-

ний (Мg

), натрий (Nа

) калий (К

), гидрокарбонат (НСО

), карбонат

(СO

), хлорид (Сl

), сульфат (SО

). В небольших количествах в водах

124

озер содержатся соединения азота – NО

, NО

, NН

, соединения фосфо-

ра, кремния, марганца, алюминия, железа и др.

На территории, подвергавшейся в прошлом оледенению, сложенной

промытыми четвертичными отложениями (средняя часть Европейской

территории России), распространены озера, в водах которых преобладают

ионы Са

и НСО

. В озерах, расположенных в районах, сложенных вул-

каническими породами, преобладают щелочные металлы Nа

и К

. Со-

единения азота и фосфора, находящиеся в озерной воде, влияют на разви-

тие органической жизни.

По степени минерализации озера разделяются на пресные и минераль-

ные, которые бывают солоноватыми и солеными.

Пресными озерами яв-

ляются водоемы с содержанием солей менее 1 г/л (1‰),

солоноватые озе-

ра содержат 1–24,7 г/л (24,7‰), а

соленые – свыше 24,7 г/л (>24,7‰). Гра-

ницей между солоноватыми и солеными водами выбрано значение 24,7

г/л (24,7‰), так как при таком значении солености температура замерза-

ния воды и температура ее наибольшей плотности одинаковы и равны

1,332°С.

Соленость озер колеблется в широких пределах. Даже в одном и том

же озере в зависимости от изменения его объема минерализация воды

изменяется. Сточные озера бывают обычно пресными и в них преоблада-

ют ионы Са

, Мg

и НСО

, а ионы Nа

, К

, Сl

и SО

встречаются в ма-

лых количествах. Озеро Онежское, например, имеет минерализацию наи-

меньшую из всех пресных озер, равную 30–40 мг/л, Байкал, Телецкое, Ла-

дожское озера 70–90 мг/л. Озеро Иссык-Куль имеет минерализацию 3,6–

6,7 г/л. Мертвое море отличается наибольшей минерализацией, равной

204–278 г/л.

Степень минерализации озер не остается постоянной. Бессточное озе-

ро в сухом климате быстро засолоняется, а соленое озеро, получая сток,

может постепенно опресниться. По составу растворенных солей различа-

ют минеральные озера:

1) соляные (хлоридные), в воде которых растворены соли соляной ки-

слоты – NaСl, СаСl

, МgСl

, КСl;

2) горько-соленые (сульфатные) имеют в растворе соли серной кисло-

ты – Nа

SО

, СаSО

, К

SО

, МgSО

;

3) содовые озера, в водах которых растворен углекислый натрий –

Nа

СО

В некоторых озерах с водами, перенасыщенными растворенными со-

лями, последние постепенно выпадают в виде осадка на дно водоема, об-

разуя пласты. Такие озера называются самосадочными, например, озера

Эльтон, Баскунчак.

Кроме солей, в водах озер содержатся растворенные газы, кислород

125

(О

), углекислый газ (СО

) и сероводород (Н

S), наличие которых влияет

на биологические процессы. Количество растворенных газов зависит от

температуры воды, ее минерализации и атмосферного давления, поэтому

газовый режим озерных вод различен для поверхностных и глубинных

слоев. Газы О

и СО

поступают в поверхностный слой воды из воздуха в

зависимости от атмосферного давления и температуры воды. В глубинные

слои газы поступают непосредственно из атмосферы только в период пе-

ремешивания слоев воды; когда перемешивание отсутствует, газы из ат-

мосферы проникают на глубину путем диффузии.

Расходуется кислород на выделение в атмосферу (при его избытке в

воде), на дыхание живых организмов, на окисление органических остат-

ков и на окисление неорганических соединений, например, железа. Рас-

пределение кислорода по глубине зависит от термической циркуляции и

волнения, перемешивающих слои воды.

Углекислота образуется во всех слоях озерных вод в результате выде-

ления ее при дыхании живыми организмами и при окислении органиче-

ских веществ. Расходуется углекислый газ только в поверхностных, осве-

щенных слоях озера, где он поглощается водной растительностью, поэто-

му количество его увеличивается с глубиной и может в избытке содер-

жаться в придонных слоях озера. Это происходит благодаря хорошей рас-

творимости СО

в воде.

Сероводород (Н

S) образуется в результате разложения белковых ве-

ществ в озерной котловине и резко ухудшает условия развития органиче-

ской жизни. Например, в средней части Каспийского моря (в его глубоко-

водных слоях) благодаря наличию Н

S отсутствует все живое, за исклю-

чением серных бактерий.

Водохранилища и их гидрологический режим. По составу вод и геоло-

гической деятельности водохранилища аналогичны крупным озерам. Са-

мым крупным по площади является водохранилище Вольта в Западной Аф-

рике (8480 км

), Волжское водохранилище занимает второе место (5900

км

). Самым вместительным является водохранилище Кариба (175 км

) на

р. Замбези. В Братском водохранилище сосредоточено 169 км

воды.

Большое практическое значение в решении вопросов, связанных с экс-

плуатацией водохранилища, имеет знание физико-географических про-

цессов, под воздействием которых происходит формирование всех эле-

ментов их водного баланса, который определяется соотношением количе-

ства воды, поступающей в чашу водохранилища и расходующейся из нее.

Подсчет приходной и расходной частей водного баланса обычно произво-

дится для замыкающего створа водохранилища (например, до плотины) в

виде месячных объемов воды, выраженных в тысячах или миллионах ку-

бических метров.

126

При этом учитываются следующие элементы водного баланса:

1. Приток речных вод к периметру водохранилища (Wп); он слагается

из притока воды реки, на которой устроено водохранилище, рек, впадаю-

щих в водохранилище, а также поверхностного стока с площади водосбо-

ра, непосредственно примыкающей к водохранилищу. Данные о притоке

определяются на основе гидрометрических наблюдений по специально

установленным для этой цели наблюдательным станциям,

2. Осадки (Wo), выпадающие на зеркало водохранилища в твердом и

жидком виде. Величина осадков вычисляется обычно как среднее арифмети-

ческое по данным наблюдений на береговых метеорологических станциях.

3. Зарегулированный сток из водохранилища (Wc), который учитыва-

ется по данным наблюдений за сбросом воды из водохранилища и забора

ее на промышленные и другие нужды.

4. Испарение с площади водохранилища (Wи), которое определяется

или по данным непосредственных наблюдений на испарительных станци-

ях, или по соответствующим формулам.

5. Потери воды во время оседания льда на берегах водохранилища при

сработке его уровня зимой (

–Wл) и затоплении его весной (+Wл). Эти по-

тери определяются по наблюденным данным за толщиной льда на водо-

хранилище и по площади его в начале и конце сработки.

6. Наполнение или сработка водохранилища (±Wл), величина которого

определяется условиями регулирования стока водохранилищем по кривой

зависимости объемов водохранилища от уровня воды в нем.

Общее уравнение водного баланса водохранилища за любой отрезок

времени (например, месяц) имеет следующий вид:

Wи + Wо = Wс + Wи ± Wл + Wа.

В данном уравнении приведены только основные элементы водного

баланса водохранилища, которые можно учитывать на основании специ-

ально поставленных наблюдений. В этом уравнении не приведены такие

составляющие водного баланса, как фильтрация через ложе и берега во-

дохранилища, потери воды на аккумуляцию в русле и пойме приустьевых

участков, учет которых в практических условиях представляет большие

затруднения.

§22. Геологическая деятельность озер и водохранилищ

Геологическая деятельность озер выражается в размыве водой берегов

и дна, перераспределении материала внутри озера, накоплении осадков на

дне и склонах озерных котловин. Интенсивность геологических процессов

в пределах озер зависит от размеров озер, их типа, динамики и состава

127

вод, развития органического мира, притока вод и т. д.

Лимноабразия, или озерная абразия, связана с перемещениями воды

главным образом ветром. Чем крупнее озеро, тем выше волны и тем ин-

тенсивнее их воздействие на берега. У небольших озер с постоянным

уровнем и определенным направлением ветра лимноабразия минималь-

на, так как выработан абразионный профиль, а сам крутой берег, кото-

рый ранее подвергался воздействию волн, оказывается отодвинутым на

расстояние, уже недоступное самым сильным волнам. В этом случае

работа волн ограничивается перетиранием и размельчением осадков

пляжа. Максимальная абразия характерна для плотинных озер в первые

моменты их образования и при постоянном притоке вод. При этом раз-

мываются и отодвигаются берега, подмывается плотина. Эти процессы

могут продолжаться до разрушения плотин и полного уничтожения озе-

ра. У проточных озер с достаточно большим течением может быть эро-

дировано дно.

Обломочный материал, поступающий в озера с постоянными и вре-

менными водотоками, а также благодаря другим геологическим процес-

сам, постепенно подвергается сортировке по крупности обломков. Более

крупный осаждается на дно вблизи берегов, а мелкий разносится волнами

и течениями по водоему, и только затем постепенно оседает на дно, при

этом смешиваясь с органогенным и хемогенным материалом.

Геологическая деятельность водохранилищ выражается в глубинной

эрозии, лимноабразии и аккумуляции осадочного материала. Глубинная

эрозия вызвана периодическим изменением уровня водохранилищ, кото-

рое меняется в течение года. Из-за большой площади на акватории водо-

хранища широко развиваются волновые явления. В результате лимноаб-

разии в Цимлянском водохранилище на Дону берега были срезаны за пять

лет в среднем на 50 м, а на отдельных участках – на 100–120 м.

Особые процессы происходят в пределах чаши водохранилищ, кото-

рые располагаются в зоне многолетнемерзлых грунтов. Так, в долине р.

Вилюй после образования водохранилища под воздействием оттепляюще-

го влияния воды, лед протаивает, а на берегах возникают провалы, ямы,

воронки, пещеры, трещины.

Водохранилища существенным образом влияют на течение есте-

ственного руслового процесса в долинах зарегулированных рек. В пре-

делах самого водохранилища наблюдается осаждение твердого стока. На-

копление аллювия на границе максимального распространения подпора

приводит к повышению уровня воды в реке, а это, в свою очередь, вызы-

вает распространение аккумуляции вверх по течению реки. Например, в

Новосибирском водохранилище накапливается более четверти годового

стока р. Оби, а зона аккумуляции в самой реке за 40 лет наблюдений пе-

128

реместилась вверх по течению на 400 км.

Озерные отложения. Накопление осадков в озерах осуществляется за

счет сноса с суши терригенного и химически растворенного материала, а

также в результате жизнедеятельности организмов в этих водоемах. Пре-

обладание того или другого фактора осадконакопления зависит от клима-

тических условий, величины площади бассейна, стока, его интенсивности

и др. В озерах накапливаются также механические осадки, образующиеся

за счет размыва берегов волнами.

Механические осадки. Накопление в озерах механических осадков проис-

ходит наиболее интенсивно в предгорных озерах, в которых часто накапли-

ваются галечники в виде конусов выноса рек, впадающих в эти озера. Если

озеро большое, то вдали от берега галечники и пески сменяются глинистыми

осадками, обычно с хорошей горизонтальной слоистостью

Химические осадки. Среди озерных отложений большое место занимают

химические осадки, возникающие в различных климатических условиях. В

соленых озерах засушливых областей происходит осаждение главным обра-

зом галоидов, сульфатов и карбоната кальция путем повышения их концен-

трации при выпаривании растворов. Осаждение осадка происходит в основ-

ном в летнее время. Однако оно может происходить и зимой в результате

понижения температуры воды и уменьшения ее растворяющей способности.

Осаждение химических осадков можно наблюдать на засушливом юго-

востоке Европейской части России, в озерах Северного Прикаспия: Эльтон,

Баскунчак и др. С прилежащих побережий редкие дождевые воды и родники

сносят в озера растворы солей, которыми обогащены почвы, а в особенности

коренные породы, содержащие залежи гипса и каменной соли. В засушливое

лето происходит испарение воды из озер, и их высохшее дно покрывается

белой коркой солей, среди которых преобладает хлористый натрий.

Карбонат натрия – сода (Nа

СО

) выпадает в некоторых соленых озе-

рах, как правило, в холодное время года, когда понижается температура

воды и ее растворяющая способность. Садка соды иногда происходит и

летом в результате интенсивного выпаривания крепких рассолов, что на-

блюдается, например, в оз. Кучербак (Северный Казахстан).

Карбонат кальция (СаСО

) также может выпадать в осадок непосред-

ственно из толщи воды, давая начало слоям озерных известняков или мер-

гелей, если в осадке имеется примесь глины. Такие карбонатные отложе-

ния, иногда состоящие не только из кальцита (СаСО

), но и из доломита –

СаМg(СO

)

, наиболее распространены в солоноватых озерах засушливой

зоны, но образуются и в некоторых пресных озерах. Еще чаще в озерных

глинистых отложениях возникают кальцитовые конкреции различной

формы, а в некоторых случаях и сплошные слои, состоящие из мелких

сферических образований (от долей миллиметра до 10 мм в диаметре).

129

Иногда эти шаровидные образования имеют концентрическое строение,

что свидетельствует о постепенном обрастании заключенных внутри пес-

чинок, обломков органических остатков и даже пузырьков газа карбона-

том кальция. Такие образования получили название

оолитов.

В пресных озерах умеренного пояса химическим и биохимическим пу-

тем нередко осаждаются окислы железа, выносимые грунтовыми и поч-

венными водами как продукты выветривания горных пород. Они образу-

ют обычно округлые конкреционные образования типа оолитов или, как

их иначе называют –

бобовин. Скопления таких бобовин образуют на дне

ряда наших северных озер залежи так называемой озерной бобовой же-

лезной руды. В озерах тропической зоны, где химическое выветривание

более интенсивно, таким же путем могут возникать залежи алюминиевых

руд – бокситов, с бобовой текстурой.

Органогенные осадки. Эти осадки являются второй характерной группой

озерных отложений. Среди них в свою очередь можно выделить два принци-

пиально различных рода образований – минеральные и органические.

Органогенные минеральные отложения образуются в озерах в резуль-

тате накопления на дне твердых скелетных частей организмов. Сюда от-

носятся образующиеся в некоторых озерах тепло-умеренного и тропиче-

ского поясов озерные ракушечные известняки, состоящие из раковин не-

которых пресноводных и солоноватоводных двустворок и брюхоногих

моллюсков. Однако подобного рода отложения сравнительно редки, так

как обычно количество моллюсков, населяющих дно озер, недостаточно

для образования чистых ракушечных известняков.

Значительно шире распространены кремнистые органогенные отложе-

ния – озерные трепела, или диатомиты, весьма характерные для многих

пресных озер областей с влажным умеренным климатом. Они представ-

ляют собой скопления мельчайших кремневых скорлупок одноклеточных

диатомовых водорослей, населяющих толщу озерных вод. Залежи озер-

ных трепелов местами представляют собой полезные ископаемые. Еще

более широко распространены в пресных озерах чисто органические

осадки – гнилостные илы (сапропели, сапроколлы). Они образуются за

счет отмирания мелких животных и растительных организмов, обитаю-

щих в озерных водах умеренного климата. Здесь, в донных условиях в

бескислородной среде, они разлагаются с образованием органического

ила, богатого углеводородами. Значительная роль в преобразовании орга-

нических остатков в этих условиях принадлежит анаэробным бактериям,

использующим для дыхания химически связанный кислород орга-

нического вещества. По мере накопления толщи озерных отложений, по-

лужидкий сапропель уплотняется и превращается в черно-коричневую

плотную, но очень легкую породу с раковистым изломом – сапроколлу.

130

§23. Болота

Понятие о болоте и заболоченных землях. Возникновение болот.

Болотом называется участок земной поверхности, характеризующийся

избыточным увлажнением верхних слоев грунта в течение большей части

года, наличием процесса торфообразования и специфической болотной

растительностью. Слой торфа на болоте имеет толщину, при которой жи-

вые корни основной массы растений не достигают дна. При малой толщи-

не торфа корни большинства растений произрастают в минеральном

грунте; такие пространства называются заболоченными землями. Заболо-

ченные земли являются начальной фазой формирования болот.

Рис. 33. Схема зарастания водоема: а) с пологими берегами (1–осоковый

торф, 2–тростниковый и камышовый торф, 3–сапропель, 4–сапропелит); б) с

крутыми берегами 1–торф из остатков раздичных растений, 2–пелоген, 3–

сапропелевый торф, 4–сапропелит)

Образование болот происходит путем постепенного зарастания водо-

емов или путем заболачивания суходолов, т. е. сухих долин, без постоян-

ного водотока, не заливаемых весенними водами и не имеющих располо-