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

Подождите немного. Документ загружается.

171

редкость. Инфильтрация атмосферных осадков в трещины наибольшее

значение приобретает на пологих склонах и на склонах, покрытых грубо-

обломочным материалом, хорошо проницаемым для воды.

Кроме перечисленных встречаются и так называемые литогенетиче-

ские трещины, обусловленные процессами формирования пород. Трещи-

ны такого происхождения обычно прослеживаются сквозь всю толщу по-

род. Так, например, в базальтах, имеющих характерную столбчатую от-

дельность, нередко наблюдаются многочисленные вертикальные трещи-

ны, идущие от поверхности вглубь массива. Важно также при этом ука-

зать, что как в базальтах (особенно в лавовых образованиях), так и в неко-

торых других разностях пород (песчаниках, конгломератах и др.) движе-

ние воды осуществляется по системе трещин и порам, т. е. они являются

порово-трещинными коллекторами.

Ширина трещин непостоянна, но большой частью невелика; в магма-

тических и метаморфических породах она составляет обычно несколько

миллиметров, реже несколько сантиметров и весьма редко достигает не-

скольких метров. Часто различные генетические типы трещин наклады-

ваются одна на другую, создавая сложную систему трещиноватости.

В качестве подтипов трещинных вод (выделенных по генезису и ха-

рактеру распространения трещиноватости) обычно рассматриваются:

1) регионально распространенные трещинные воды верхней зоны вы-

ветривания массивов скальных пород;

2) линейно-локальные потоки трещинно-жильных вод зон тектониче-

ских нарушений;

3) напорные трещинные воды локальных зон глубинной трещиновато-

сти (разуплотнения) горных пород (тектоническая, метаморфогенная,

криогенная и др. виды трещиноватости);

4) пластовые трещинные (порово-трещинные) воды, связанные со

слоистыми сильнолитифицированными или метаморфизованными дисло-

цированными породами осадочного чехла платформ и горно-складчатых

областей;

5) трещинные и порово-трещинные подземные воды вулканогенных и

вулканогенно-осадочных пород областей молодого вулканизма.

Основными типами, наиболее широко распространенными и относи-

тельно хорошо изученными, «собственно трещинными», являются под-

земные воды верхней зоны выветривания и трещинно-жильные воды зон

тектонических нарушений.

Карстовыми, или трещинно-карстовыми, называются свободные (гра-

витационные) подземные воды, связанные с горными породами, скваж-

ность которых, наряду с трещиноватостью, определяется наличием кар-

стовых пустот, образующихся в результате растворения минерального

172

скелета горной породы подземными водами. Форма и размеры подземных

карстовых пустот могут быть различными – от мелких каверн диаметром

2–3 мм, до пещер и крупных подземных гротов.

Движение подземных вод в трещиноватых породах подчиняется линей-

ному закону фильтрации, т.е. происходит по тому же закону, что и в рых-

лых породах. Отличия заключаются в том, что в рыхлых породах вследст-

вие тесной связи между частицами воды, заполняющей капиллярные и не-

капилярные промежутки, образуется единая гидродинамическая система, в

трещиноватых же породах вода заполняет лишь трещины и движется толь-

ко по этим трещинам. При этом, если трещины не пересекаются, то они

могут быть и безводными.

В трещинах скальных пород заключены как безнапорные, так и напорные

воды. Напор подземных вод в трещинах обусловлен гидростатическим дав-

лением воды во взаимно пересекающихся трещинах. На других участках дав-

ление воды в трещинах связано с давлением газа, поднимающегося из более

глубоких зон литосферы. В районах с молодой вулканической деятельностью

подъем воды по трещинам иногда вызывается давлением водяных паров с

температурой более 100°С.

Основные элементы гидрогеологической стратификации. Чередо-

вание по вертикали в геологическом разрезе пород, различных по литоло-

гическим особенностям, дает возможность провести его расчленение на

водоносные и водоупорные толщи (пласты).

При расчленении разрезов рыхлых и слабо сцементированных оса-

дочных и метаморфических пород, представляющих собой пластово-

поровые, или порово-трещинные коллекторы подземных вод, следует

пользоваться наиболее распространенными гидрогеологическими под-

разделениями (от более мелких к крупным): водоносный горизонт, водо-

носный комплекс, гидрогеологический этаж.

Под водоносным горизонтом принято понимать относительно выдер-

жанную по площади и в разрезе насыщенную свободной гравитационной

водой одно- или разновозрастную толщу горных пород, представляющую

собой в гидродинамическом отношении единое целое. По условиям зале-

гания и их режиму выделяются водоносные горизоны грунтовых, межпла-

стовых ненапорных и артезианских (или напорных) вод.

Водоносный горизонт может быть представлен как одним, так и не-

сколькими слоями водонасыщенных пород, отличающихся или сходных

по геологическому возрасту, литологическим особенностям и фильтраци-

онным свойствам; при сложении только одним пластом он будет простым

однослойным, а при многослойном – сложным слоистым, двухслойным

или многослойным. При выделении водоносных горизонтов необходимо

учитывать, что их мощность не может превышать мощность пород от-

173

дельных стратиграфических ярусов, реже отделов.

Как следует из определения, водоносный горизонт не обязательно

должен быть связан с какой-либо определенной возрастной единицей

стратиграфической шкалы. Однако каждый водоносный горизонт в гид-

родинамическом отношении представляет единое целое и имеет свобод-

ную или

пьезометрическую поверхность. Это не исключает на отдельных

участках возможности гидравлической связи между смежными водонос-

ными горизонтами.

Водоносный комплекс представляет собой выдержанную в вертикаль-

ном разрезе и имеющую региональное распространение водонасыщенную

толщу одно- или разновозрастных и разнородных по составу пород, огра-

ниченную сверху и снизу регионально выдержанными водоупорными

(или относительно водоупорными) пластами, почти исключающими или

затрудняющими гидравлическую связь со смежными водоносными ком-

плексами и обеспечивающими, таким образом, присущие данному ком-

плексу определенные особенности гидродинамического и гидрогеохими-

ческого режима вод (рис. 42). Каждый водоносный комплекс характеризу-

ется определенным положением областей питания, создания напора и раз-

грузки. Это предопределяет свойственные данному комплексу условия

накопления, распространения и формирования подземных вод. Водонос-

ный комплекс включает несколько в различной степени выдержанных

водоносных горизонтов. Мощности водоносных комплексов определяют-

ся стратиграфическими ярусами, свитами, сериями, отделами, частями

систем и реже системами.

Рис. 42. Схема строения водоносного комплекса (1–водопроницаемые породы,

2–водоупорные породы, 3–коренные породы основания, 4–направление дви-

жения подземных вод, 5–пъезометрические уровни отдельных водоносныхго-

ризонтов)

174

Под

гидрогеологическим этажом понимается совокупность водонос-

ных комплексов, ограниченных только снизу или сверху и снизу мощны-

ми регионально выдержанными в пределах водонапорной системы тол-

щами водоупорных пород. В значительной степени гидрогеологические

этажи определяются структурными этажами или совокупностью струк-

турных ярусов, которые, в свою очередь, зависят от истории геологиче-

ского развития водонапорной системы или ее отдельных частей. Гидро-

геологические этажи отличаются один от другого степенью водообмена,

различными особенностями процесса формирования подземных вод, а

также неодинаковыми чертами палеогидрогеологического развития.

Мощность гидрогеологического этажа определяется преимущественно

такими стратиграфическими подразделениями, как система, совокупность

систем или даже группа. В геологическом разрезе, сложенном прочно

сцементированными осадочными, метаморфическими и магматическими

породами, представляющими собой трещинные и карстовые коллекторы

подземных вод, часто не удается выделить водоносные горизонты, ком-

плексы и этажи. Такие породы отличаются неравномерной трещиновато-

стью, пестротой литологических особенностей и минерального состава

как по площади, так и в разрезе. Наиболее водообильными являются уча-

стки повышенной трещиноватости. В таких толщах пород иногда пред-

ставляется целесообразным выделять

водоносные зоны.

Отличительной особенностью водоносных зон является их локальное

распространение и отсутствие гидравлической связи между отдельными

водоносными зонами даже в пределах одной и той же тектонической

структуры. Важно подчеркнуть, что горизонт (или пласт), регионально

выдержанный в геологическом отношении, не всегда будет представлять

водоносный горизонт в гидрогеологическом понимании, даже если в от-

дельных изолированных одна от другой зонах он будет водоносным, по-

скольку при этом нет гидравлической связи между отдельными водонос-

ными зонами.

Водоносный горизонт, водоносный комплекс и гидрогеологический

этаж имеют различные размеры как в разрезе, так и в плане. Один от дру-

гого они отделяются водоупорными толщами различной мощности, вы-

держанности по площади и степени проницаемости пород.

Наименее выдержанными в региональном плане являются водоносные

горизонты. В одном и том же водоносном комплексе на разных участках

может выделяться неодинаковое количество водоносных горизонтов. На

практике это нередко вызывает затруднение при сопоставлении водонос-

ных горизонтов в комплексе.

Водоносные комплексы и тем более гидрогеологические этажи явля-

ются более выдержанными в пределах той или иной водонапорной систе-

175

мы. Водоупорные толщи, разделяющие их, отличаются значительно

большей мощностью и более широким распространением по площади.

Следует отметить, что количественные критерии выделения водо-

упорных и относительно водоупорных толщ в разрезе пока не уста-

новлены, хотя признаки, по которым можно судить об изолирующих

свойствах пород, известны. Основными из них являются литологические

особенности, минеральный состав пород и их водно-физические свойства.

В качестве непосредственных показателей изолирующих свойств водо-

упорных толщ следует руководствоваться данными о гранулометрическом

составе, пористости, проницаемости, поглотительной способности глини-

стых пород, составе поглощенных катионов, а также учитывать общую гид-

родинамическую обстановку области исследований. Естественно, что плот-

ные нетрещиноватые магматические и метаморфические породы, а также

прочно сцементированные осадочные толщи (каменная соль, гипсы, ангид-

риты, аргиллиты, глинистые сланцы, глины и многолетнемерзлые породы),

большинством исследователей признаются водоупорными.

Движение подземных вод в зоне насыщения. Понятие фильтрации.

В водонасыщенных горных породах имеют место все рассмотренные ра-

нее виды воды, начиная от химически связанной, участвующей в строе-

нии минерального вещества горных пород, и кончая свободной гравита-

ционной, заполняющей все поры и трещины горных пород. Пленочная и

капиллярная воды обволакивают частицы горной породы, заполняют ка-

пиллярные поры и образуют мениски на стыках минеральных частиц. Че-

рез остальное пористое пространство и трещины получает возможность

передвижения свободная гравитационная вода, подчиняющаяся влиянию

силы тяжести и текущая под действием разности гидростатических напо-

ров. Такое движение гравитационной воды в пористой среде, являющееся

основной формой движения подземных вод, называется

фильтрацией.

В любых горных породах в условиях их полного или неполного насы-

щения имеется не участвующая в движении вода, связанная с минераль-

ными частицами горных пород молекулярными, капиллярными и другими

силами и препятствующая движению гравитационной воды. Для крупно-

зернистых песков наличие адсорбционных пленок и капиллярной воды не

оказывает заметного влияния на процесс фильтрации. В мелкозернистых

песках и глинистых породах, размеры пор которых могут оказаться соиз-

меримыми с толщиной адсорбционных пленок, условия движения грави-

тационной воды будут значительно затруднены, а при полном заполнении

пористого пространства породы адсорбированными пленками, фильтра-

ция подземных вод окажется невозможной.

Таким образом, одним из важнейших факторов, определяющих усло-

вия движения подземных вод в пористой среде, служит пористость, или

176

вернее

динамическая пористость, определяемая площадью пор, через

которые имеет возможность передвигаться свободная гравитационная

вода под действием разности гидростатических напоров.

Движение воды в реальной пористой среде происходит через систему

открытых и сообщающихся между собой пористых каналов и трещин,

которые имеют самые различные размеры, форму и расположение одна

относительно другой. Вследствие исключительно сложного характера

изменчивости путей и скорости движения воды в пористой среде невоз-

можно точное изучение процессов фильтрации через отдельные поровые

каналы и трещины. Поэтому движение воды в пористой среде рассматри-

вается обобщенно, и его характеристики получают не для отдельных то-

чек порового пространства или каналов, а для всего поперечного сечения

фильтрующей среды в целом. При этом важнейшей характеристикой дви-

жения воды в пористой среде является скорость фильтрации.

Скорость фильтрации может быть охарактеризована количеством во-

ды (объемным расходом), которое протекает в единицу времени через

единицу площади поперечного сечения пористой среды. Обозначив объ-

емный расход воды, фильтрующейся в единицу времени, через

Q, а пло-

щадь поперечного сечения пористой среды, через которую протекает вода

–

F, получим следующее выражение для скорости фильтрации – v:

v =

В реальных условиях в каждом сечении пористой среды движение во-

ды происходит только по пустотам между отдельными частицами порис-

той среды. Реальная площадь пор, через которую осуществляется фильт-

рация воды, характеризуется значением

активной пористости. Активная

пористость может быть неодинаковой для разных сечений пористой сре-

ды, но в среднем для того или иного объема горной породы она остается

постоянной и принимается равной значению динамической пористости

Для любого из сечений пористой среды

динамическая пористость может

быть определена следующим выражением:

= ,

где F

– действительная площадь сечения пор, через которые происходит

движение воды;

F – общая площадь сечения пористой среды. Таким обра-

зом, истинная средняя скорость движения воды (

) может быть получена,

если объемный расход фильтрующейся в единицу времени воды (

Q) отне-

сти к действительной площади пористой среды (

F), через которую проис-

ходит движение воды:

177

Движение подземных вод в горных породах по своему характеру мо-

жет быть ламинарным или турбулентным. Под

ламинарным, или парал-

лельно-струйчатым, движением понимается такое движение, когда струй-

ки воды передвигаются без завихрения, параллельно одна другой с не-

большими скоростями течения без разрыва сплошности потока.

Под

турбулентным понимается движение воды, для которого харак-

терны большие скорости, вихреобразность, пульсация и перемешивание

отдельных струй. Чаще в природных условиях движение воды в пористой

и трещиноватой среде является по своему характеру ламинарным. И толь-

ко в крупных пустотах и трещинах, а также на локальных участках интен-

сивного воздействия инженерных сооружений (например, при интенсив-

ных откачках из скважин) движение подземных вод может перейти в тур-

булентное.

§30. Геологическая деятельность подземных вод

Карстовые процессы.

Карстовый процесс представляет собой дли-

тельно развивающийся процесс растворения или выщелачивания трещи-

новатых растворимых горных пород подземными и поверхностными во-

дами. В результате деятельности карстовых процессов возникают как от-

рицательные формы рельефа на земной поверхности, так и различные по-

лости, каналы, гроты или пещеры на глубине. Впервые такие процессы

были детально изучены на побережье Адриатического моря на плато

Карст недалеко от г. Триест, откуда и получили свое название.

Основными условиями развития карста являются:

1) трещиноватость растворимых горных пород, обеспечивающая их

водопроницаемость;

2) наличие агрессивных вод и движение их по трещинам.

Воды, насыщенные углекислотой, растворяют карбонаты намного бы-

стрее, чем чистые воды. Присутствие в подземных водах NаСl увеличива-

ет растворимость гипса в 3,5 раза.

К растворимым горным породам относятся карбонатные породы (из-

вестняки), соли (галит, сильвин и др.) и в меньшей степени доломиты,

гипсы и ангидриты. В зависимости от состава растворимых пород разли-

чают карст карбонатный, гипсовый и соляной. Наибольшее разнообразие

карстовых форм наблюдается в горных массивах, сложенных мощными

толщами карбонатных пород в горных странах Средиземноморья, на Кав-

казе, в горной части Крыма, на Карпатах, Урале и т.д.

178

Различают открытый, или голый, карст, когда растворимые породы

выходят на дневную поверхность, и закрытый, когда они залегают глубо-

ко под землей и с поверхности перекрыты толщами нерастворимых пород

(рис. 43).

Рис. 43. Схема развития карстового процесса (1–растворимые породы, из-

вестняки, 2–нерастворимые породы, М-мешкообразная долина, П–пещера, по

О.К.Леонтьеву и Г.И.Рычагову)

К поверхностным карстовым формам относятся карры, поноры, кар-

стовые ниши, воронки, котловины и полья, а также колодцы и пропасти.

Карры, или шрамы – небольшие углубления в виде рытвин и борозд

глубиной от нескольких сантиметров до 1–2 м на поверхности закарсто-

ванных пород.

Поноры – вертикальные или наклонные отверстия, через которые по-

верхностные воды поглощаются и уходят в глубину.

Карстовые воронки – формы поверхностного рельефа, имеющие наи-

большее распространение. Они встречаются в областях с различными

климатическими условиями и имеют форму чаш или блюдец, с крутыми

или пологими склонами. Среди них выделяются: воронки поверхностного

выщелачивания и воронки провальные, образующиеся в результате обру-

шения сводов подземных карстовых полостей.

Карстовые котловины – крупные формы поверхностного карстового

рельефа, на дне которых развиваются карстовые воронки.

Полья – крупные замкнутые понижения, представляющие собой объе-

динения нескольких небольших карстовых котловин.

Карстовые колодцы и пропасти – крупные провалы, уходящие на глу-

бину до 1000 м.

179

Подземные карстовые формы представлены пещерами и каналами.

Самыми крупными подземными формами карстового рельефа являются

карстовые пещеры. Они представляют собой систему горизонтальных

или несколько наклонных каналов, туннелей, сложно ветвящихся и обра-

зующих огромные залы или гроты, имеющие высоту в несколько десятков

метров. Пещеры между собой могут содиняться туннелями, провалами

или узкими щелями. По каналам нередко протекают подземные реки, а на

дне пещер располагаются подземные озера. На поверхности карстовых

массивов часто имеются периодически исчезающие озера и реки. После-

дние нередко уходят в колодцы или провалы.

Карстовые процессы создают не только определенные формы рельефа,

но и участвуют в образовании весьма своеобразных отложений. На поверх-

ности и на дне карстовых форм рельефа располагаются остаточные от рас-

творения образования – это бескарбонатный, в основном алюмосиликатный

материал. Он носит название

терра-росса (красная земля). В пещерах на-

ходятся своеобразные аллювиальные осадки, образуемые подземными ре-

ками. Имеются также

травертины – натечные формы известкового туфа, а

также своеобразные натечные образования –

сталактиты, растущие от

кровли пещеры вниз. Со дна пещер растут вверх

сталагмиты.

Суффозия. Наряду с растворением, подземные воды способны в опре-

деленных условиях выносить из горных пород твердые частички чисто ме-

ханическим путем. Подобный процесс получил название суффозии. По-

следняя проявляется на выходах источников, особенно восходящих источ-

ников напорных вод. Вынос источником глины и песка из водоносного слоя

уменьшает постепенно объем слагающей его породы и вызывает тем самым

просадку и обрушение части склона, расположенной над источником.

Осевшая порода разрушается и уносится водой. Постепенно над источни-

ком в склоне образуется полукруглая выемка с крутыми склонами – суффо-

зионный цирк, обычно не достигающий крупных размеров. Но суффозия на

выходах подземных вод является одним из существенных факторов, спо-

собствующих возникновению оползней, рассматриваемых ниже.

Суффозия проявляется и в других формах. Воды, проникающие из песча-

ных и песчано-глинистых толщ в подстилающие закарстованные известняки,

выносят с собой в карстовые полости много песка и глины. Особенно интен-

сивен такой вынос при прорыве водоносного горизонта, насыщающего пески,

в карстовые пустоты подстилающего известняка. При этом песок как бы за-

сасывается вниз в разжиженном виде, и на поверхности земли внезапно обра-

зуется провал. Подобного рода карстово-суффозионные провалы и медленно

развивающиеся карстово-суффозионные воронки – явление не редкое.

Суффозия является также основой лёссового и глинистого карста.

Внешне они во многом напоминают настоящий карст, так как на поверх-

180

ности выражаются, в виде провалов, колодцев, воронок, а под землей –

системой ходов. Однако все эти формы возникают в лёссах или глинах, т.

е. в нерастворимых породах. Лёссовый и глинистый карст типичен для

областей с сухим, полупустынным и пустынным климатом и представляет

собой процесс чисто поверхностный, охватывающий толщу пород на глу-

бину в несколько метров или два-три десятка метров. Он сводится к вы-

носу мелких частиц водой, просачивающейся через трещины сухого, ли-

шенного часто даже пленочной влаги, лёсса или глины.

Оползни. Оползнями называют смещения рыхлых песчано-глинистых

пород на склонах, происходящие под влиянием смачивания и увлажнения

их поверхностными и подземными водами. Различают два типа движения

земляных масс, вызванные этими причинами –

оплывины и оползни. Первое

явление связано с разжижением поверхностного почвенного слоя во время

интенсивного таяния снега, обильных дождей или под влиянием выхода

подземных вод. Разжиженный слой грунта сплывает при этом вниз в виде

жидкой или полужидкой грязевой массы, срывая дерновый покров и обра-

зуя на склоне участок, лишенный растительности. Такого рода оплывины

очень часто происходят весной на крутых склонах оврагов.

Оползни представляют собой принципиально иное явление. В течение

длительного времени толщи песчано-глинистых пород, слагающих крутой

склон, подвергаются выветриванию и растрескиваются, благодаря чему

приобретают способность впитывать все большее и большее количество

воды во время снеготаяния и дождей. Вес и пластичность их увеличива-

ются и нарушается равновесие откоса по отношению к силе тяжести.

Этому способствуют подземные воды, образующие источники на склоне.

Воды увлажняют склон и вызывают суффозию, еще более нарушающую

равновесие откоса. Когда склон выведен из равновесия, то внутри его

массива легко возникает поверхность срыва, имеющая в разрезе полуци-

линдрическую форму, и по этой поверхности вниз соскальзывает крупный

блок пород с почти ненарушенными структурой и текстурой (рис. 44). В

дальнейшем на смещенном таким образом блоке могут возникнуть ополз-

ни – блоки меньшего размера, осложняющие его.

Оползает обычно не сразу весь склон на большом протяжении, а лишь

короткие его участки, особенно сильно увлажненные поверхностными и

подземными водами. Поэтому смещающийся блок как бы врезается в

склон в виде цирка с крутыми стенками. Верхняя плоская поверхность

оползающего массива образует оползневую террасу и обычно запрокиды-

вается в сторону берега. Деревья на оползневой террасе занимают на-

клонное положение. Если оползание происходит несколькими блоками с

разными скоростями и в разном направлении, то деревья наклоняются в

разные стороны. Такое явление получило название «пьяного леса».