Сесёлкин И.В. Основы геологии и гидрогеологии

Подождите немного. Документ загружается.

мёрзлыми пластами и в ней возникает гидростатический напор. Выйдя

на поверхность, растекаясь и замерзая, вода образует наледи.

Таяние ледяных линз и прослоев в толще мёрзлых пород сопро-

вождается провальными явлениями поверхности земли, называемыми

термокарстом. Термокарстовые воронки часто заполняются водой,

образуя озёра.

В зоне многолетней мерзлоты большое влияние на здания и со

оружения оказывает снижение механической прочности глинистых,

пылеватых пород и мелких песков при их оттаивании.

Длительные исследования учёных в области строительства, водо-

снабжения, добычи полезных ископаемых показали, что необходимо

сохранять вечную мерзлоту (например, строить дома на свайных фун-

даментах с приподнятыми и хорошо проветриваемыми основаниями).

ЧАСТЬ II. ОСНОВЫ ГИДРОГЕОЛОГИИ

Гидрогеология - наука о подземных водах, изучает их состав,

свойства, происхождение, закономерности распространения и движе-

ния, а также взаимодействие с горными породами. Единство природ-

ных вод Земли требует рассмотрения подземных вод в неразрывной их

связи со всеми видами, с горными породами, в которых они формиру-

ются, накапливаются и передвигаются.

4 Гидросфера и круговорот воды в природе

Общая площадь земного шара 510∗10

км

, из них воды Ми-

рового океана занимают 70,8%, остальная территория представлена

сушей, большая часть которой является сточной (имеет сток воды в

моря и океаны). Вода - одна из самых распространенных в природе

веществ, она встречается в парообразном, жидком и твердом состоя-

нии во всех основных сферах Земли.

Сравнивая объём воды в отдельных

частях гидросферы с прито-

ком воды в них из соседних звеньев круговорота, можно определить

активность водообмена, т.е. время, за которое может полностью обно-

виться объём воды в Мировом океане, атмосфере или почве. Медлен-

нее всего обновляются воды в покровных ледниках (8 тыс. лет), в под-

земных слоях (5 тыс. лет), а также

в океанах (3 тыс. лет), вода в реках

обновляется очень быстро – всего за 11 – 12 дней.

Круговорот воды не полностью замкнут: часть воды, попадая в

верхние слои атмосферы разлагается под действием солнечной радиа-

ции на ионы кислорода и водорода, часть которых уходят в космос. Но

эти незначительные потери постоянно восполняются, благодаря тому,

что

при вулканических извержениях вода поступает из глубинных сло-

ёв Земли. Вследствие этого, объём гидросферы постепенно увеличива-

ется, так по расчётам, 4 млрд. лет назад её объём составлял всего 20

млн. км

, т.е. был в 70 раз меньше современного. В будущем количест-

во воды на планете, по-видимому будет также возрастать, если учесть,

что объём воды в мантии Земли некоторыми учёными оценивается в 20

млрд. км

Рис. 12. Схема круговорота воды в природе (по Р. Уисту):

1 – осадки; 2 – водопроницаемые породы; 3 – слабопроницаемые

породы; 4 – непроницаемые породы; 5 – источник (родник); 6 - на-

правление движения воды и водяных паров

Всего на нашей планете находится около 1 млрд. 455 млн. км

во-

ды (данные М.И.Львовича), из них на долю Мирового океана прихо-

дится около 1 млрд. 380 млн. км

, подземных вод – 62 млн. км

, лед-

ников - 24 млн. км

, речных вод - 1,2 тысяч км

, атмосферных вод - 14

тысяч км

, озёр - 280 тысяч км

, почвенная влага – 85 тысяч км

Процесс круговорота в природе в количественном выражении ха-

рактеризуется водным балансом, уравнение которого для замкнутого

речного бассейна имеет вид:

Х = Y + Z ± W

где: Х – осадки на площади водосбора, мм; Y – речной сток, мм; Z –

испарение за вычетом конденсации, мм; W – среднемноголетнее пита-

ние глубоких водоносных горизонтов за счёт осадков

или поступления

подземных вод из глубоких горизонтов на поверхность в пределах

речного бассейна, мм.

Для практической деятельности человека огромное значение

имеет внутриматериковый круговорот воды. В стране осуществляется

большой комплекс мероприятий, направленный на его улучшение и

регулирование: перераспределение и регулирование поверхностного

стока, строительство каналов и водохранилищ, орошение и осушение

земель, искусственное пополнение и регулирование запасов подземных

вод, перевод части поверхностного стока в подземный, лесонасажде-

ния, дренаж и т. д.

5 Виды воды в горных породах

В 1936 году А. Ф. Лебедевым предложена классификация видов

воды в горных породах, она включает: парообразную, гигро-

скопическую, пленочную, гравитационную, капиллярную, химически

связанную и воду в твердом состоянии.

Парообразная вода находится в форме водяного пара в воздухе,

присутствующем в порах, трещинах горных пород и в почве, переме-

щается вместе с током воздуха

от участков с высокой абсолютной уп-

ругостью водяного пара к участкам с более низкой упругостью. При

определенных условиях пары воды могут конденсироваться и пе-

реходить в жидкое состояние.

Связанная вода присутствует главным образом в глинистых по-

родах, удерживается на поверхности частиц силами, значительно пре-

вышающими силу тяжести. Подвижность её несравненно

меньше под-

вижности свободной воды. Различают прочно- и рыхлосвязанную во-

ду.

Прочносвязанная вода удерживается на поверхности частиц мо-

лекулярными и электростатическими силами. По свойствам прочно-

связанная вода близка к твёрдому телу, имеет высокую плотность, вяз-

кость и упругость. Передвигается такая вода только в форме пара, она

не способна растворять соли, недоступна

для растений.

Рыхлосвязанная (плёночная) вода удерживается на частицах

молекулярными силами. Поверхность частицы как бы обволакивается

пленкой воды толщиной в несколько молекулярных слоев. Пленочная

вода способна передвигаться от частице к частице, не подчиняется си-

ле тяжести, не передает гидростатического давления, плохо растворяет

соли, частично доступна растениям. Максимальное содержание пле-

ночной воды

составляет: для песков 1 - 7 %, супесей 9 - 13 %, суглин-

ков 15 - 23 %, глин - 25 - 40 %.

Капиллярная вода - находится в капиллярных порах и трещинах

горных пород, где удерживается и передвигается под влиянием капил-

лярных (менисковых) сил, действующих на границе воды и воздуха,

находящихся в порах пород. В зависимости от расположения и связи

капиллярной воды с гравитационной водой выделяют следующие три

вида капиллярной воды: подвешенную, стыковую и собственно капил-

лярную.

Подвешенная капиллярная вода - это вода, удерживаемая в ка-

пиллярных породах и трещинах силами поверхностного натяжения,

располагается преимущественно в верхнем горизонте породы или поч-

вы

, не находится в непосредственной связи с уровнем грунтовых вод.

При повышении влажности породы сверх наименьшей влагоёмкости,

подвешенная капиллярная вода стекает в нижележащие слои.

Стыковая капиллярная вода удерживается капиллярными си-

лами в порах песчаных и глинистых пород в местах соприкосновения

их частиц. Гидростатического давления стыковая вода не передаёт,

растениями не может

использоваться, при повышении влажности мо-

жет переходить в подвешенную или собственно капиллярную воду.

Собственно капиллярная вода находится в породах в виде влаги

капиллярной каймы, расположенной над уровнем грунтовых вод, в

интервале влажности от наименьшей влагоёмкости до полной влагоём-

кости. В зависимости от гранулометрического состава породы, мощ-

ность капиллярной каймы изменяется от

нуля (в галечнике, гравии) до

4 – 5 м (в глинистых породах). Положение верхней границы капилляр-

ной каймы меняется при колебаниях уровня грунтовых вод. Собствен-

но капиллярная вода доступна для растений.

Гравитационная вода - свободная вода, не подверженная дейст-

вию сил притяжения к поверхности частиц горных пород. Эта вода

подчиняется силе тяжести и способна

передавать гидростатическое

давление, легко передвигается через пористые тела и трещины в гор-

ных породах. В зоне аэрации гравитационная вода образуется в ре-

зультате проникновения атмосферных осадков и поверхностных вод, а

также путем перехода в капельно-жидкое состояние других видов воды

(парообразной, пленочной, капиллярной). Гравитационная вода под-

разделяется на два вида

: просачивающуюся и влагу водоносных гори-

зонтов.

Просачивающаяся свободная гравитационная вода находится в

состоянии нисходящего движения в виде отдельных струек в зоне

аэрации, породы которой не насыщены водой.

Влага водоносных горизонтов насыщает водоносные слои до

полной влагоёмкости (с поправкой на защемлённый воздух); вода

удерживается вследствие водонепроницаемости водоупорного слоя.

Кристаллизационная вода входит в состав кристаллической ре-

шетки минералов (например, гипса СаSО

·2Н

О) в строго определён-

ных количествах и может быть выделена из них при высоких темпера-

турах (более 300°С) с частичным или полным разрушением минерала.

Вода в твердом состоянии – в виде кристаллов, прослоек и линз

льда широко распространена в зоне многолетней мерзлоты.

Наличие в горных породах тех или иных видов воды во

многом

предопределяет как основные свойства горных пород (влажность, вла-

гоёмкость, водопроницаемость и водоотдачу), так и условия движения

подземных вод.

5.1 Свойства горных пород по отношению к воде

При решении многих задач гидрогеологии возникает необходи-

мость в изучении свойств горных пород по отношению к воде, основ-

ными из них являются: гранулометрический состав, пористость,

влажность, влагоёмкость, водоотдача, водопроницаемость.

Гранулометрический состав - процентное содержание (по мас-

се) в рыхлой породе частиц различного размера. Для определения гра-

нулометрического состава обломочную породу делят на

группы частиц

более или менее одинакового размера (фракции) и определяют про-

центное содержание отдельных фракций. Обычно определяют содер-

жание крупнооболочных частиц размером более 2 мм (в зависимости

от их размеров выделяют валуны, гальку, гравий), песчаных (0, 05 - 2

мм), пылеватых (0,005 - 0, 05 мм) и глинистых частиц (менее 0,005

мм). В зависимости от процентного соотношения различных фракций

устанавливают

классификационное название породы (глина, суглинок,

супесь, песок, щебень и т.д.). Гранулометрический состав породы оп-

ределяет многие ее свойства: плотность, пористость, водопроницае-

мость, сжимаемость, пластичность, усадку и др.

Пористость - характеризует объем пустот (пор, трещин, полос-

тей) в объеме горной породы. Пористость выражается двумя показате-

лями: коэффициентом пористости (n) и коэффициентом приведенной

пористости (

n = V

/ V

= V

/ V

где: V

– объём пор; V – объём породы; V

– объём скелетной час-

ти породы.

Коэффициент пористости всегда меньше единицы, а коэффици-

ент приведенной пористости может ее превышать.

Водопроницаемость – способность горных пород пропускать че-

рез себя воду.

Многие свойства горных пород зависят от размеров пор, трещин

и пустот. Фильтрация, например, возможна лишь при наличии пор и

трещин размером более 0,5 мм; капиллярные (0,5 - 0, 002 мм) и субка-

пиллярные (

менее 0,002 мм) поры заполнены капиллярной, пленочной

и гигроскопической водой, что их делает практически водонепрони-

цаемыми. Галечники, гравий, крупные и средние пески, трещиноватые

скальные породы обладают хорошей водопроницаемостью. Глины,

невыветрелые скальные породы являются водонепроницаемыми. К

полупроницаемым породам относятся суглинки, лёсс, глинистые пес-

ки, мергели.

Влажность естественная - определяется отношением массы воды,

содержащейся в

порах и трещинах к массе минеральной части грунта.

Влагоёмкость - способность горных пород вмещать и удержи-

вать в своих пустотах определенное количество воды. Различают сле-

дующие виды влагоёмкости:

полную - максимальное количество воды (связанной, капилляр-

ной и гравитационной), удерживаемое породой при полном насыще-

нии всех пустот водой;

капиллярную - наибольшее количество воды, удерживаемое

капиллярных порах;

наименьшую - максимальное количество подвешенной воды, ко-

торое может удерживаться однородной неслоистой породой;

максимальную молекулярную влагоёмкость – количество связан-

ной воды, которое может удерживаться в породе под действием по-

верхностных сил притяжения. Наибольшей максимальной молекуляр-

ной влагоёмкостью обладают глинистые породы;

максимальную гигроскопичность – наибольшее количество проч-

носвязанной воды (адсорбированной из

воздуха) воды.

По степени влагоёмкости горные породы подразделяются на:

- очень влагоемкие (торф, ил, глина, суглинки );

- слабовлагоемкие (мел, мергель, супеси, мелкозернистый песок);

- невлагоемкие (скальные породы, галечники, гравий, крупнозер-

нистый песок).

Растворимость – способность горных пород растворяться в воде.

Наибольшей способностью отличаются соленосные отложения. Рас-

творимость горных пород зависит от температуры воды, скорости её

передвижения, концентрации в воде углекислого газа и т.д.

5.2 Представление о зоне аэрации и насыщения

В рыхлых породах ниже уровня грунтовых вод все поры пол-

ностью заполнены водой, кроме пор, занятых защепленным воздухом -

эта зона называется зоной насыщения (рис.13).

Слой расположенный выше зоны насыщения называется зоной

аэрации. Непосредственно над уровнем грунтовых вод располагается

капиллярная влага в виде каймы. В зоне аэрации могут иметь место все

перечисленные

выше виды воды. Однако существенное значение при

изучении влагопереноса имеют процессы движения парообразной,

пленочной и гравитационной воды.

Движение парообразной воды осуществляется от участков с

большей влажностью к участкам с меньшей влажностью. При измене-

нии влажности атмосферы и пород зоны аэрации наблюдается взаим-

ный переход паров воды из одной сферы в

другую, а при понижении

температуры - конденсация паров воды и переход их в капельно-

жидкое состояние.

Движение пленочной воды происходит под действием молеку-

лярных сил - от частиц с большей толщиной пленки к частицам с

меньшей ее толщиной.

Движение капиллярной воды вызывается действием капиллярных

сил, как при просачивании поверхностных вод, так и при

подъеме под-

земных вод над их уровнем по трещинкам и капиллярам. Способность

капиллярных вод к перемещению характеризуется высотой их капил-

лярного поднятия (Н

) которая тем больше, чем меньше размеры ка-

пилляров. В песчаных породах Н

не превышает нескольких десятков

см, в глинистых и суглинистых породах достигает 3 и более м.

Рис. 13. Схема водоносного горизонта (грунтовые воды):

Ι - зона аэрации; ΙΙ - зона насыщения; 1 – капиллярная кайма; 2 –

подвешенные воды; 3 – почвенные поды; 4 – верховодка; 5 – уровень

грунтовых вод; 6 – заболоченность; 7 – водоносный песчаный гори-

зонт; 8 – водоупор грунтовых вод

Поднимающаяся капиллярная вода воздействует на инженерные

коммуникации, фундаменты зданий, может вызвать вторичное засоле-

ние почв.

Гравитационная вода образуется при просачивании осадков

, оро-

сительных и поверхностных вод через породы зоны аэрации. Этот

процесс носит название инфильтрации. Протекающая через породы

зоны аэрации гравитационная вода расходуется на смачивание и ув-

лажнение, а также на пополнение запасов подземных вод, насыщаю-

щих лежащие ниже пористые и трещиноватые породы. Полностью

насыщенные водой горные породы образуют зону насыщения

или

фильтрации. В зоне фильтрации имеются все распространенные ранее

виды воды. Основным объектом изучения в гидрогеологии является

гравитационная вода, которая движется через рыхлые породы и тре-

щины, подчиняясь действию силы тяжести и текущая благодаря разно-

сти гидростатических напоров.

Зона насыщения может быть однородна по составу и возрасту во-

довмещающей породы

или же разнородна. В последнем случае в зоне

насыщения находится несколько водоносных горизонтов. На рис. 14

показан случай, когда толща водопроницаемых отложений, переслаи-

вающая с водонепроницаемыми породами, содержит грунтовые, меж-

пластовые ненапорные и артезианские воды.

Рис. 14. Схемы залегания водоносных горизонтов

(по П.П. Климентову):

1 – водоносные песчаные горизонты (а – грунтовые воды; б –

межпластовые ненапорные; в – артезианские); 2 – водоупорные поро-

ды; 3 – уровень грунтовых и межпластовых ненапорные вод; 4 – пье-

зометрический уровень артезианского водоносного горизонта (стрел-

кой обозначен напор); 5 – направление движения напорных вод; 6 –

разгрузка грунтовых вод через родник (нисходящего

типа)

Водоносным горизонтом называют пласт, содержащий гравита-

ционную воду, им может быть любая пористая или трещиноватая по-

рода. Водоносный горизонт постилается водоупором или водоупорным

пластом. Водоупором являются глины, глинистые сланцы, нетрещино-

ватые изверженные и другие породы. Водоносные отложения могут

иметь или не иметь сверху водоупорную кровлю, что предопределяет

условия залегания

водоносного горизонта, его питание и взаимосвязь с