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

Подождите немного. Документ загружается.

161

мальный. Глинистые почвы слабо проницаемы для воды.

Количество воды в подпочвенном слое может увеличиваться за счет

конденсации паров воды из воздуха и привлечения капиллярной воды, свя-

занной с уровнем грунтовых вод. Последний вид питания имеет место при

неглубоком залегании зеркала грунтовых вод от поверхности. Почвы, наря-

ду с гигроскопической и пленочной водой, содержат капиллярную воду.

Эта вода, ограниченная сверху и снизу капиллярными менисками, находит-

ся как-бы в подвешенном состоянии. Передвигается она только под влияни-

ем силы капиллярного натяжения в направлениях от более крупных капил-

ляров к более тонким и от более влажных участков к менее влажным.

Рис. 37. Схема строения подземных вод зоны аэрации (1–породы зоны аэра-

ции, 2– горизонт грунтовых вод, 3–слабопроницаемые породы, 4–почвенный

слой, 5–уровень грунтовых вод и капиллярная кайма, 6–верховодка)

Верховодка. Верховодкой называются подземные воды, залегающие в

породах зоны аэрации на линзах водоупорных пластов на сравнительно

небольшой глубине от поверхности земли и имеющие в плане ограничен-

ное распространение. Верховодка обычно насыщает различные пористые

породы – пески, суглинки, лёссы и др. Она встречается также и в верхней

части коры выветривания скальных пород. Кроме того, верховодка рас-

пространена в районах многолетней мерзлоты, где она в зимнее время

полностью перемерзает. Мощность пород, насыщенных верховодкой,

обычно невелика (в среднем 0,4–1,0 м), местами она достигает 2–5 м. Во-

доупором для нее нередко служат линзы и выклинивающиеся водонепро-

ницаемые или слабопроницаемые пласты, на неровной поверхности кото-

рой она и развивается (рис. 37). В однородных легкопроницаемых и невла-

гоемких породах (крупнозернистых песках, трещиноватых породах) усло-

162

вия для формирования верховодки неблагоприятны. В глинах верховодка

также обычно не образуется. Обусловлено это тем, что вследствие набу-

хания коллоидов верхний слой глин небольшой толщины сравнительно

быстро насыщается водой и становится непроницаемым для дальнейшей

инфильтрации воды с поверхности.

Заметное влияние на формирование верховодки оказывает характер

рельефа. Так, на склонах, особенно на крутых, где благоприятны условия

для поверхностного стока и неудовлетворительны для инфильтрации, вер-

ховодка не формируется или образуется ее маломощный слой на короткое

время. Наилучшие условия для верховодки создаются на плоских водораз-

делах и степных пространствах с местными понижениями, куда стекают

дождевые воды и где задерживаются талые снеговые воды.

Режим верховодки всецело зависит от количества инфильтрующихся

атмосферных осадков, а на территориях городов и промышленных пло-

щадках – и от так называемых «хозяйственных вод». Продолжительность

ее существования зависит от размеров и мощности подстилающих полу-

проницаемых влагоемких пород и условий питания. При небольших раз-

мерах и малой мощности относительного водоупора, верховодка сущест-

вует сравнительно недолго. Ввиду незначительной мощности водонасы-

щенных слоев и зависимости от местных условий питания она, как прави-

ло, образует лишь временное скопление воды, которое исчезает в засуш-

ливое время года или с устранением искусственного источника питания.

Качество вод верховодки различно. В районах избыточного увлажне-

ния эти воды слабо минерализованы (гидрокарбонатные кальциевые), в

районах засушливых (чаще в южных) – сильно мннерализованы и отно-

сятся к хлоридному натриевому типу. На территориях городов и населен-

ных пунктов воды верховодки, вследствие неглубокого залегания от по-

верхности, подвержены сильному загрязнению.

Криолитозона выделяется как самостоятельный элемент подземной

гидросферы в области распространения многолетнемерзлых пород (высо-

кие широты Северного и Южного полушария, высокогорные районы).

Обычно она охватывает часть зоны аэрации и верхнюю часть зоны полного

насыщения. Мощность криолитозоны в зависимости от климатических ус-

ловий местности (главным образом среднегодовых температур воздуха),

геологического строения и геотемпературных условий верхней части разре-

за земной коры, изменяется от первых метров до 1000–1500 м и более.

Подземные воды в криолитозоне. Впервые классификация подземных

вод криолитозоны была предложена в 1933 году Н.И.Толстихиным, кото-

рый выделил три типа подземных вод, распространенных в многолетне-

мерзлых породах: над-, меж- и подмерзлотные. В течение многих лет эта

классификация была и остается руководящей, поскольку она учитывает

163

основные особенности залегания подземных вод в многолетнемерзлых

породах. Подземные воды всех трех типов на отдельных площадях гид-

равлически связаны как между собой, так и с поверхностными водами.

Надмерзлотные воды. Воды этого типа залегают в толще пород, ограни-

ченной сверху поверхностью земли, снизу – верхней границей многолетне-

мерзлых пород. К надмерзлотным водам обычно относят воды деятельного

слоя, воды надмерзлотных таликов и криогенных образований (рис. 38).

Рис. 38. Схема взаиморасположения мерзлых и талых пород и взаимосвязи

между над-, меж- и подмерзлотными водами, по Н.А.Вельминой (а–

надмерзлотные воды, б–надмерзлотно-межмерзлотные воды, в–воды криоген-

ных образований, г–межмерзлотные воды, д–межмерзлотные (внутримерзлот-

ные) водоносные горизонты, е–подмерзлотно-межмерзлотные воды, ж–

подмерзлотные воды, з–«регилирующие» подземные резервуары, 1–мерзлые

породы, 2–талые породы, 3–нижняя граница надмерзлотных и верхняя грани-

ца подмерзлотных вод, 4–криогенные образования

Деятельный слой (сезонно-талый) – это слой максимального зимнего

промерзания и летного оттаивания. Сложен он породами различного гене-

зиса и состава. В зависимости от литологических особенностей пород, их

влажности, гранулометрического состава, географического положения,

климата района и экспозиции поверхности рельефа, мощность его изме-

няется от нескольких см до 3–5 м. Надмерзлотные воды деятельного слоя

в области развития многолетнемерзлых пород распространены весьма

широко. Водоупором для них служит поверхность многолетнемерзлых

пород. В летний период эти воды являются безнапорными. Области пита-

ния и распространения их в этот период совпадают. Основными источни-

ками питания вод деятельного слоя в летний период служат атмосферные

осадки, а на участках речных долин, сложенных хорошо проницаемыми

отложениями, в питании подземных вод принимают участие и воды по-

верхностного стока. Надмерзлотные воды в деятельном слое существуют

в течение всего теплого сезона года.

164

Межмерзлотные воды. Подземные воды, залегающие в толще много-

летнемерзлых пород, называются межмерзлотными. Они являются низко-

температурными, с температурой колеблющейся от долей градуса до пер-

вых градусов, а высокоминерализованные могут быть даже с отрицатель-

ными температурами. В многолетнемерзлой толще подземные воды свя-

заны со сквозными и замкнутыми водоносными таликами.

Подмерзлотные воды. Подземные воды, залегающие под мерзлой

толщей, называются подмерзлотными. Они находятся только в жидкой

фазе. В зависимости от условий залегания они могут быть безнапорными,

но чаще являются напорными (артезианскими). Глубина залегания их оп-

ределяется мощностью толщи многолетнемерзлых пород и гидрогеологи-

ческими условиями.

Зона полного насыщения охватывает верхнюю часть разреза земной

коры от уровня первого водоносного горизонта (нижняя граница зоны

аэрации) до глубин 8–20 км. В пределах зоны полного насыщения сво-

бодное пространство в минеральном скелете горных пород (поры, трещи-

ны, крупные пустоты) полностью заполнено свободной гравитационной

водой и водой, физически связанной с поверхностью минеральных частиц

горной породы. В пределах зоны насыщения, начиная с глубины 1,5 км,

физически связанные воды переходят в подвижное состояние. В нижних

частях этой зоны, где температура превышает 200–300°С, в связанном

состоянии остается лишь вода в кристаллической решетке минералов.

Грунтовые воды. К грунтовым водам относятся воды первого от по-

верхности водоносного горизонта, залегающие на выдержанном водоне-

проницаемом пласте. Сверху грунтовые воды обычно не перекрываются

водонепроницаемыми породами, а водопроницаемый пласт заполняют не

на полную мощность, поэтому поверхность грунтовых вод является сво-

бодной, ненапорной. На отдельных участках, где имеется локальное водо-

упорное перекрытие, грунтовые воды приобретают местный небольшой

напор, величина которого определяется положением уровня грунтовых вод

на примыкающих участках, не имеющих водоупорного перекрытия. Облас-

ти питания и распространения грунтовых вод, как правило, совпадают. По-

стоянно существующие грунтовые воды имеют широкое, почти повсемест-

ное распространение. Условия их залегания разнообразны и определяются

физико-географическими, геолого-литологическими, геоморфологическими

и многими другими местными факторами. Грунтовые воды чувствительны

ко всем изменениям, происходящим в атмосфере. В зависимости от коли-

чества выпадающих атмосферных осадков их уровень испытывает значи-

тельные колебания: в сухое время и засушливые годы он понижается, в

дождливое время и влажные годы – повышается. Уровень грунтовых вод

зависит также от атмосферного давления, а с течением времени изменя-

165

ются их качественный состав и температура. Грунтовые воды легкодос-

тупны для использования. Наиболее широко распространена эксплуатация

их неглубокими колодцами в сельской местности. Но, залегая на незначи-

тельной глубине, грунтовые воды подвержены загрязнению.

Поверхность грунтовых вод носит название

зеркала. Относительно од-

нородные по литологическим особенностям и водным свойствам пласты

горных пород, содержащие грунтовые воды, называются

водоносным гори-

зонтом

или водоносным пластом. Мощность водоносного горизонта (h)

определяется расстоянием по вертикали от уровня грунтовых вод до кровли

подстилающего водоупорного пласта.

Рис. 39. Схематический гидрогеологический разрез части речной долины (1–

песок, 2–песок водоносный, 3–глины, 4–известняки трещиноватые, 5–уровень

грунтовых вод, 6–уровень верховодки, 7–направление движения безнапорных

грунтовых вод, 8–разгрузка артезианских вод в речной аллювий)

Грунтовые воды обычно имеют слабоволнистую поверхность, часто с

уклоном в сторону ближайшего понижения (оврага, речной долины и т.

д.). Только в равнинных областях, при весьма малых уклонах уровня, их

поверхность можно приближенно принимать за плоскость. В зависимости

от значений уклона поверхности и водопроводимости пластов грунтовые

воды движутся в сторону ближайшего понижения с различной скоростью,

образуя грунтовый поток. Участки с горизонтальной поверхностью грун-

товых вод носят название

бассейнов. Бассейном грунтовых вод нередко

называют воды, заполняющие определенные геологические структуры,

например, древнюю ледниковую долину, сложенную флювиогляциаль-

ными отложениями, или аллювиальные отложения палеодолины реки.

Грунтовая вода, подчиняясь силе тяжести, перемещается от повышенных

участков к пониженным, причем, она движется по линиям наименьшего

166

сопротивления. Грунтовый поток, плавно понижающийся к месту раз-

грузки, образует криволинейную поверхность, называемую

депрессионной

поверхностью

. На схематическом гидрогеологическом разрезе речной

долины (рис. 39) показано несколько водоносных горизонтов. В верхней

части разреза в зоне аэрации на супесях, распространена верховодка, ни-

же которой находится грунтовой поток. Под верхним пластом глин зале-

гают межпластовые ненапорные воды. Напорные воды движутся по тре-

щинам в известняках, а разгружаются в речной аллювий.

Межпластовые воды. Межпластовыми водоносными горизонтами на-

зываются водоносные горизонты, залегающие между двумя слабопрони-

цаемыми пластами. В отличие от грунтового водоносного горизонта,

верхней границей которого является свободная поверхность подземных

вод, межпластовые горизонты всегда имеют относительно слабопрони-

цаемую (водоупорную) кровлю и подошву.

В верхней части гидрогеологического разреза пластовое давление

примерно соответствует высоте столба воды от уровня залегания водо-

носного горизонта до поверхности земли, в этом случае оно называется

нормальным гидростатическим давлением (

гидр.

). В глубоких частях раз-

реза, при относительно надежной изоляции элемента пластовой системы

от поверхности земли и смежных водоносных горизонтов, величина пла-

стового давления может быть значительно большей и достигать значений

геостатического давления (

гео.

), определяемого весом вышележащей тол-

щи горных пород (

гео.

≈ 2,5 Р

гидр.

Артезианские воды. Артезианскими называют подземные воды, нахо-

дящиеся в водоносных горизонтах (комплексах), перекрытых и подсти-

лаемых водоупорными или относительно водоупорными пластами, и об-

ладающие напором, который обуславливает подъем уровня воды над их

кровлей при вскрытии скважинами или другого вида выработками. При

благоприятных геоструктурных и гидрогеологических условиях скважи-

ны дают фонтанирующую воду.

Артезианские воды получили свое название от провинции Артуа в

Южной Франции (древнее латинское название – Артезия), где в XII веке

(1126 год) впервые в Европе был пройден колодец, вскрывший самоизли-

вающуюся воду. Такие колодцы получили название артезианских. Затем

артезианскими стали называть подземные воды и водоносные горизонты,

в которых вода находится под избыточным давлением и при их вскрытии

изливается на поверхность.

Артезианские воды широко распространены в пределах синеклиз, впа-

дин, мульд, краевых и предгорных прогибов, моноклинальных структур, а

также в межгорных впадинах, синклинальных прогибах, грабенах и в зо-

нах тектонических разломов (рис. 40). Характерными особенностями ар-

167

тезианских вод являются следующие:

1) они залегают обычно глубже горизонта грунтовых вод в водо-

носных горизонтах и комплексах, подстилаемых и перекрытых водоупор-

ными (или относительно водоупорными) пластами;

2) область питания и создания напора артезианских вод и область их

распространения не совпадают и часто удалены один от другого на боль-

шие расстояния;

3) при вскрытии артезианского водоносного горизонта скважиной, во-

да в последней поднимается выше кровли горизонта, т. е. появление воды

в скважине всегда отмечается глубже по сравнению с установившимся

уровнем;

4) режим артезианских вод является более стабильным по сравнению с

грунтовыми водами; на их режим физико-географические факторы оказы-

вают меньшее влияние, чем на грунтовые воды, пьезометрический уро-

вень мало подвержен месячным и сезонным колебаниям; температура вод

с глубиной, как правило, возрастает;

5) по сравнению с грунтовыми, артезианские воды менее подвержены

загрязнению с поверхности в связи с тем, что они перекрываются относи-

тельно водоупорными породами.

По условиям залегания подземных артезианских вод выделяются: ар-

тезианские бассейны, артезианские склоны и субартезианские бассейны.

Под

артезианским бассейном понимают совокупность артезианских

водоносных горизонтов или комплексов, залегающих в синклинальных

структурах. В частном случае в артезианском бассейне может залегать

только один водоносный горизонт или комплекс.

В каждом артезианском бассейне принято выделять три области:

1) область современного питания (современной инфильтрации) и соз-

дания напора;

2) область разгрузки;

3) область распространения напора.

Область современного питания и создания напора – это площади выхода

на дневную поверхность водоносных пород, слагающих артезианский бас-

сейн и его основание, располагающихся на наивысших гипсометрических

отметках. На таких участках атмосферные осадки и воды поверхностного

стока проникают в водоносные породы. Последние в области питания пре-

имущественно заключают грунтовые воды, дренируемые местной гидро-

графической сетью. Кроме того, выделяют внешнюю и внутреннюю облас-

ти питания. К первой относятся прилегающие к артезианскому бассейну

части горно-складчатых сооружений или поднятий, с которых стекают ат-

мосферные воды и по достижении выходов водопроницаемых пластов они

частично поглощаются и идут на питание подземных вод. Для многих арте-

168

зианских бассейнов, особенно расположенных в предгорных прогибах и

впадинах, важное значение имеют именно внешние области питания; на-

пример, для Азово-Кубанского и Терско-Кумского бассейнов внешней об-

ластью питания служат северные склоны горно-складчатых сооружений

Большого Кавказа.

Рис. 40. Типы артезианских бассейнов: а–прямой рельеф, б–обратный рельеф

(1–водоупорные породы, 2–водоносные породы, 3–пъезометрический уро-

вень, I–верхний артезианский водоносный горизонт, II–нижний артезиан-

ский водоносный горизонт)

Внутренней областью питания являются площади, расположенные в

пределах самого артезианского бассейна, где осуществляется инфильтрация

атмосферных осадков и вод местного поверхностного стока. Внутренние

области питания связаны преимущественно с поднятиями и антеклизами на

платформах (например, Волго-Камский артезианский бассейн), а также

антиклинальными структурами в предгорных районах и межгорных впади-

нах, в пределах которых артезианские водоносные горизонты выходят на

поверхность или залегают неглубоко под более молодыми отложениями.

Многие артезианские бассейны соединяются между собой. В таких ус-

ловиях создаются благоприятные возможности для перетока вод из одного

бассейна в другой. Необходимо отметить, что области питания и создания

напора пространственно совпадают не везде, так как зона погружения во-

доносного горизонта может не совпадать с областью инфильтрации атмо-

сферных осадков и вод поверхностного стока. Более того, в земной коре

причины создания напора подземных вод могут быть различными. Помимо

гидростатического давления на создание напора оказывает действие геоста-

тическая нагрузка, тектонические напряжения, криогенный фактор, а также

изменение пористости пород в результате образования новых минералов.

169

Рис. 41. Открытые естественные очаги разгрузки артезианских вод (1–

эрозионные очаги разгрузки напорных вод: а) в долине реки выше горизонта

воды, б) в эрозионно-тектонических понижениях в условиях засушливого

климата; 2–барьерные очаги разгрузки: а) непроницаемые магматические,

метаморфические и соленосные отложения на пути движения артезианских

вод, б) складка водоупорных пород на пути движения артезианских вод; 3–

структурно-тектонические очаги разгрузки: а) сводовая часть складки водо-

проницаемых пород, б) сброс с экранированным водоносным горизонтом)

1–водоносные породы, 2–водоупорные породы, 3–относительно водоупорные

породы, 4–магматические породы, 5–направление движения артезианских

вод, 6–восходящие источники (по П.П.Климентову и Г.Я.Богданову)

Область разгрузки артезианских бассейнов – это участки выхода водо-

носных горизонтов и комплексов на поверхность на более низких абсо-

лютных отметках, по сравнению с областью питания. Область разгрузки

представляет собой, как правило, совокупность открытых (восходящие

источники) и скрытых очагов (разгрузка в рыхлые отложения, русла рек,

на дно морей). А.М.Овчинников выделяет современные и древние очаги

разгрузки; современные – подразделяются на естественные и искусствен-

ные, среди которых выделяются открытые и скрытые. К открытым (есте-

ственным) очагам относятся (рис. 41): эрозионные, локализованные очаги

разгрузки в долинах рек, в бессточных впадинах в пустынных районах,

барьерные (при наличии препятствий на пути движения), структурно-

тектонические (зоны тектонических разломов, антиклинальные структуры

в горно-складчатых областях и др.).

Уровень напорных вод называют

пьезометрическим (см. рис. 40). Он

всегда располагается выше кровли водоносного горизонта. Расстояние по

вертикали от кровли водоносного горизонта до пьезометрического уровня

170

называется напором над кровлей водоносного горизонта. Распределение

пьезометрических уровней на всей площади распространения артезиан-

ских вод определяется соотношением их отметок в области питания и раз-

грузки. Пьезометрический уровень реальным является только в скважи-

нах, вскрывших артезианский водоносный горизонт.

Характер пьезометрической поверхности того или иного напорного водо-

носного горизонта в пределах его распространения на картах обычно изобра-

жается гидроизопъезами.

Гидроизопъезами называются линии, соединяющие

точки с одинаковыми абсолютными отметками пьезометрического уровня.

Подземные воды в трещиноватых и закарстованных породах. Тре-

щинные и трещинно-карстовые подземные воды выделяются в самостоя-

тельные типы на основе различия генезиса и структуры свободного про-

странства в минеральном скелете горных пород.

Трещинные подземные воды являются основным типом свободных

(гравитационных) вод в изверженных, метаморфических, сильнолитифи-

цированных осадочных и вулканогенных породах, фильтрационные и ем-

костные свойства которых определяются развитием трещиноватости раз-

личных генетических типов. При проведении геологосъемочных работ, а

также при проходке буровых скважин и горных выработок часто оказыва-

ется, что породы (особенно кристаллические и метаморфические) разбиты

трещинами. Появление трещин может быть обусловлено тектоническими

процессами, выветриванием, выщелачиванием, растворением и другими

факторами. Распределение трещин в породах бывает различно. В одних

районах, массивы скальных пород разбиты трещинами без видимой зако-

номерности (локальная трещиноватость), в других отмечается ориентиро-

ванность большинства трещин в том или ином направлении. Наиболее

отчетливо направление крупных трещин и зон трещиноватости прослежи-

вается в районах с развитием сбросовых, взбросовых и других нарушений

(региональная тектоническая трещиноватость). В таких районах, а также

вдоль резких перегибов слоев на антиклинальных поднятиях или синкли-

нальных погружениях обычно отмечается повышенная трещиноватость

пород, которую можно наблюдать на значительном протяжении (иногда

до нескольких десятков километров).

Характер и степень трещиноватости зависят также от состава и проч-

ности горных пород. Более прочные породы разрушаются медленнее и

трещины в них распространяются на меньшую глубину; в относительно

слабых породах процессы выветривания с образованием трещин протека-

ют значительно быстрее. Так, прочные магматические породы нередко

имеют незначительную трещиноватость и очень слабую водоносность.

Достаточно отметить, что в некоторых районах на площади распростра-

нения магматических пород даже малодебитные источники – большая