 |
Способность горных пород пропускать воду зависит от размеров и количества пор, пустот, трещин.
|
|
|
|
По отношению к воде все горные породы подразделяют на три группы: водопроницаемые (хорошо пропускают воду), водонепроницаемые (задерживают воду) и растворимые.
Растворимые породы - это калийная и поваренная соли, гипс, известняк. Когда подземные воды растворяют их, на глубине образуются большие пустоты, пещеры, воронки, колодцы (это явление называется карстом).
Водопроницаемые породы можно подразделить на две категории: проницаемые во всей их массе (однородно проницаемые) и относительно проницаемые (полупроницаемые). Примерами хорошо проницаемых горных пород служат галечники, гравий, песок. К полупроницаемым относятся мелкозернистый песок, торф и др.
Кроме этого, водопроницаемые породы могут быть влагоемкими и не влагоемкими.
Невлагоемкие породы - это горные породы, которые свободно пропускают воду, не насыщаясь ею. Это, например, пески, галечник и др.
Влагоемкие - это горные породы, которые удерживают в себе какое-то количество воды (например, один кубический метр торфа удерживает свыше 500 л воды).
К водонепроницаемым горным породам относятся глины, массивные кристаллические и осадочные породы. Однако эти породы могут быть разбиты трещинами и в естественных условиях стать проницаемыми.
Слои водонепроницаемых пород, над которыми залегают водоносные породы, называют водоупорными.
На водоупорных породах просачивающаяся вниз вода задерживается и заполняет промежутки между частицами вышележащей водопроницаемой породы, образуя водоносный горизонт.
Слои водопроницаемых пород, которые содержат воду, называются водоносными.
На равнинах, сложенных осадочными горными породами, обычно чередуются водопроницаемые слои и водоупорные.
|
|
|
Подземные воды залегают слоями (рис. 1). Их можно разделить на три горизонта:
§ Верхний горизонт — это пресные воды, залегающие на глубине от 25 до 350 м.
§ Средний горизонт - воды, залегающие на глубине от 50 до 600 м. Они обычно минеральные, или соленые.
§ Нижний горизонт — вода, нередко погребенная, в высокой степени минерализованная, представлена рассолами. Залегает на глубине от 400 до 3000 м.
Глубокие горизонты вод могут быть ювенильным и (магматического происхождения) или реликтовыми. Вода нижних горизонтов в большинстве случаев образовалась в период формирования заключающих их осадочных пород.
По условиям залегания подземные воды подразделяют на почвенные, верховодку и воды насыщения — грунтовые и межпластовые
Грунтовые воды образуют водоносный горизонт на первом от поверхности водоупорном слое. Поверхность грунтовых вод называется зеркалом грунтовых вод. Расстояние от зеркала грунтовых вод до водоупорного слоя называют мощностью водоупорного слоя.
Грунтовые воды питаются просочившимися атмосферными осадками, водами рек, озер, водохранилищ.
В связи с неглубоким залеганием от поверхности уровень грунтовых вод испытывает значительные колебания по сезонам года: он то повышается после выпадения осадков или таяния снега, то понижается в засушливое время. В суровые зимы грунтовые воды могут промерзать.
Так как глубина залегания грунтовых вод определяется прежде всего климатическими условиями, в разных природных зонах она различна. Так, в тундре уровень грунтовых вод практически совпадает с поверхностью, а в полупустынях находится на глубине 60-100 м, причем не повсеместно, и эти воды не обладают достаточным напором.
Большое влияние на глубину залегания грунтовых вод оказывает степень расчлененности рельефа территории. Чем она сильнее, тем глубже находятся грунтовые воды.
|
|
|
Грунтовые воды значительно подвержены загрязнению.
Верховодка - временное скопление подземных вод в близповерхностном слое вводоносных отложений в пределах зоны аэрации, лежащих на линзовидном, выклинивающемся водоупоре.
Верховодка - безнапорные подземные воды, залегающие наиболее близко к земной поверхности и не имеющие сплошного распространения. Образуются за счёт инфильтрации атмосферных и поверхностных вод, задержанных непроницаемыми или слабо проницаемыми выклинивающимися пластами и линзами, а также в результате конденсации водяных паров в горных породах. Характеризуются сезонностью существования: в засушливое время они нередко исчезают, а в периоды дождей и интенсивного снеготаяния возникают вновь. Подвержены резким колебаниям в зависимости от гидрометеорологических условий (количества атмосферных осадков, влажности воздуха, температуры и др.). К верховодке относятся также воды, временно появляющиеся в болотных образованиях вследствие избыточного питания болот. Нередко верховодка возникает в результате утечек воды из водопровода, канализации, бассейнов и др. водонесущих устройств, следствием чего может быть заболачивание местности, подтопление фундаментов и подвальных помещений. В области распространения многолетнемёрзлых горных пород верховодка относится к надмерзлотным водам. Воды верховодке обычно пресные, слабоминерализованные, но часто бывают загрязнены органическими веществами и содержат повышенные количества железа и кремнекислоты. Верховодка, как правило, не может служить хорошим источником водоснабжения. Однако при необходимости принимаются меры для искусственного сохранения: устройство прудов; отводы из рек, обеспечивающие постоянным питанием эксплуатируемые колодцы; насаждение растительности, задерживающей снеготаяние; создание водоупорных перемычек и т.п. В пустынных районах путём устройства канавок на глинистых участках - такырах, атмосферные воды отводятся в прилегающий участок песков, где создаётся линза верховодке, представляющая собой некоторый запас пресных вод.
15. классификация подземных вод по условиям залегания и режиму
|
|
|
Подземные воды, находящиеся в земной коре, по условиям залегания можно разделить на воды зоны аэрации, находящиеся непосредственно у поверхности Земли, грунтовые воды — воды первого от поверхности постоянного водоносного горизонта, не прикрытые водонепроницаемым пластом (как правило, ненапорные), и воды межпластовые (напорные и ненапорные), заключенные между двумя водонепроницаемыми слоями.
Воды зоны аэрации включают почвенные воды и верховодку.
Верховодка — подземная вода, залегающая на небольшой глубине и имеющая ограниченное распространение и временное существование. Режим верховодки зависит от режима атмосферных осадков. Неглубокое ее залегание, плохая фильтрация объясняют сильное загрязнение верховодки, поэтому использование ее в бытовых целях ограниченно.
Грунтовые воды распространены почти повсеместно и существуют длительное время. Пласты горных пород с заключенными в них грунтовыми водами называются водоносными пластами или водоносными горизонтами, а их поверхность — зеркалом грунтовых вод. Мощность водоносного горизонта — расстояние от поверхности водоупорного пласта до зеркала грунтовых вод.
Грунтовые воды питаются главным образом атмосферными осадками. Наибольшее значение имеют неинтенсивные длительные обложные дожди. Накапливающийся за зиму снег служит источником питания грунтовых вод весной. Так как просачивание атмосферной влаги — процесс медленный, повышение уровня грунтовых вод происходит не сразу, а через значительный промежуток времени после выпадения обильных осадков или таяния снега. Только в трещиноватых и закарстованных породах изменение уровня грунтовых вод происходит сравнительно быстро (иногда через несколько часов).
В пустынях некоторое значение приобретает конденсационное питание грунтовых вод.
Колебания уровня грунтовых вод носят сезонный характер. В условиях континентального климата умеренных широт самый высокий уровень связан с таянием снега и приходится на весну. В морском климате наиболее высокий уровень грунтовых вод зимой, когда испарение наименьшее, а осадков выпадает достаточно.
Поверхность зеркала грунтовых вод обычно слабоволнистая, с уклоном в сторону понижений в рельефе (речные долины, балки и т. д.). В зависимости от уклона зеркала грунтовые воды фильтруются с той или иной скоростью в сторону понижения, образуя грунтовые потоки. Реже, обычно там, где поверхность водонепроницаемого пласта имеет углубление, возникают грунтовые бассейны.
Скорость перемещения грунтовых вод в крупнозернистых песках — 1,5—2,0 м/сутки, в мелкозернистых песках и супесях — 0,5—1,0, в суглинках и лёссах — 0,1—0,3 м/сутки.
Выходы грунтовых вод на поверхность образуют источники. Распространенным местом выхода грунтовых вод являются речные долины и овраги.
Как правило, уровень грунтовых вод в сторону реки или озера понижается; грунтовые воды питают реку (озеро). Ho в половодья и в паводки уровень в реке оказывается выше уровня грунтовых вод, получающих в это время речную воду. После понижения уровня реки большая часть воды возвращается снова в реку.
На положение уровня грунтовых вод оказывает влияние лес. В лесу меньше, чем на открытом месте, потери влаги с поверхности на испарение. Благодаря высокой инфильтрационной способности почв весной больше, чем в другие времена года, успевает просочиться влаги вглубь. Это способствует увеличению количества грунтовых вод и повышению их уровня. Ho в то же время лес испаряет очень много влаги, забирая ее в горизонте расположения корневой системы деревьев, и это может вызывать понижение уровня грунтовых вод. Вопрос влияния леса на уровень грунтовых вод нужно рассматривать в конкретных условиях. В зависимости от сочетания условий лес может и повышать и понижать положение зеркала грунтовых вод.
Температура грунтовых вод обычно изменяется в зависимости от температуры воздуха. Эта зависимость проявляется тем больше, чем ближе к поверхности залегают грунтовые воды. Колебания температуры грунтовых вод повторяют (в сглаженном виде) колебания температуры воздуха. Моменты наступления максимума и минимума температуры запаздывают тем больше, чем глубже залегают грунтовые воды. В тех случаях, когда грунтовые воды связаны с водами рек или озер, заметна связь колебаний их температуры.
Химический состав и степень минерализации грунтовых вод зависят от состава вмещающих их пород, почв, через которые просачивается вода, и питающих вод, от глубины их залегания и от климатических условий местности.
Большую роль в минерализации грунтовых вод играет общее увлажнение территории. При избыточном увлажнении грунтовые воды пресные или пониженной минерализации, при недостаточном увлажнении минерализация их повышается. Поэтому чем суше климат, тем выше степень минерализации грунтовых вод. В связи с распределением осадков и испарения в течение года, а также в связи с таянием снега отмечаются сезонные колебания минерализации грунтовых вод. Особенно заметно опреснение грунтовых вод вблизи рек во время паводков и половодий.
Поскольку режим и минерализация грунтовых вод зависят в огромной степени от климата, от характера почвенного и растительного покрова, подчиняющихся географической зональности, постольку грунтовые воды зональны:
1) в зонах избыточного увлажнения (коэффициент увлажнения 1,5)—тундра, влажные тропические леса — грунтовые воды ультра-пресные и очень близко расположены к поверхности;
2) во влажных зонах (коэффициент увлажнения 1,5—1) — лесная зона умеренных широт и граница влажных тропических лесов с саваннами — грунтовые воды пресные, высокостоящие;
3) в зонах умеренного увлажнения (коэффициент увлажнения 1—0,3) — лесостепи, степи, саванны — грунтовые воды слабоминерализованные, залегают глубоко;
4) в засушливых зонах (коэффициент увлажнения<0,3) — полупустыни — грунтовые воды минерализованные и глубокозалегающие. Для этих зон характерны ископаемые линзы пресной воды, слабо участвующие в современном круговороте воды, застойные воды.
В каждой из отмеченных зон наблюдается большое разнообразие грунтовых вод, связанное с рельефом, геологическим строением, литологическим составом пород и т. д.
Естественные выходы грунтовых вод на поверхность — источники, как правило, безнапорные. Их делят на эрозионные, контактовые и переливающиеся. Эрозионные источники возникают в оврагах и в речных долинах. Контактовые источники расположены там, где водоносный слой сменяется водоупорным. Переливающиеся источники связаны с неровностями водоупорного слоя, вызванными разными причинами. Вода преодолевает препятствие и затем изливается, образуя нисходящий источник.
Межпластовые подземные воды могут быть ненапорными и напорными (артезианскими). Ненапорные воды не полностью насыщают водоносный пласт. Питание межпластовых вод происходит на участках, где верхний водоупорный пласт отсутствует. При увеличении количества воды ненапорные воды могут стать напорными.
Напорные межпластовые воды (артезианские) залегают в определенных геологических условиях, образуя артезианские бассейны. При бурении под напором воды поднимаются выше перекрывающего их водоупорного пласта. В артезианском бассейне выделяются области питания, напора и разгрузки. В области питания водоносные пласты не перекрываются водоупорным пластом. Здесь могут быть и ненапорные воды. В области напора при наличии скважин вода поднимается и может фонтанировать. В области разгрузки вода вытекает на поверхность, переходит в грунтовые воды или непосредственно питает реки.
Артезианские воды не могли образоваться исключительно за счет просачивания атмосферных осадков; вероятно, они возникли одновременно с накоплением осадков (седиментация). Во время морских трансгрессий вода проникла в породы и осталась в них, претерпевая постепенно изменения.
Химический состав артезианских вод весьма различен. Верхние пласты (на глубине 100—600 м) пресные (до 1 г/л) или слабоминерализованные, гидрокарбонатные, на них сказывается определяющее влияние атмосферных, поверхностных и грунтовых вод. Глубоко залегающие воды представляют собой рассолы (свыше 50 г/л), преимущественно хлоридные. Происхождение солей связано с происхождением этих вод (в основном седиментационных). В промежуточных горизонтах артезианских вод происходит смешение слабо- и высокоминерализованных вод, сопровождающееся изменением минерализации. Большой интерес представляют минеральные воды, обладающие лечебными свойствами: углекислые, сероводородные, радоновые, железистые и др.
Артезианские воды в некоторых случаях имеют очень высокую температуру. Считают, что на платформенных участках земной коры на глубине 10 км температура воды должна быть выше 300°. В условиях высокого давления вода закипает при температуре, значительно превышающей 100°, и поэтому может встречаться до глубины 10—12 км, глубже возможно присутствие только водяного пара. Таким образом, температура артезианских вод зависит от глубины их залегания, играют также роль климатические условия.
Воду, имеющую температуру от 20 до 37°, называют теплой, от 37 до 42° — термальной и свыше 42° — горячей (гиперотермальной). Горячие подземные воды находят все большее применение, например в Рейкьявике («бухта пара») все жилые дома и промышленные предприятия отапливаются природными горячими водами. Используется тепло подземных вод и для выработки дешевой электроэнергии (она в 10—12 раз дешевле энергии тепловых станций). Сотни артезианских скважин вскрыли в Советском Союзе водоносные пласты с горячей водой. В Махачкале глубинные буровые скважины дают в сутки 4000 куб. м воды с температурой 55—68°, используемой для бытовых целей. Созданы проекты более широкого использования тепла подземных вод. На Камчатке строится первая в России гидротермическая электростанция (река Паужетка).
Запасы межпластовых подземных вод очень велики. Особенно важно наличие их в районах засушливых, бедных водой. В пустынях Средней Азии почти повсеместно на глубине от 10 до 200 м, и более залегают соленые подземные воды. Они частично питаются водами, стекающими с отдаленных гор. По пути эти воды растворяют соли в почве и в породах водоносных слоев и осолоняются. На поверхности соленой воды плавают линзы пресной воды местного происхождения. Их возникновение объясняют просачиванием редко выпадающих в этих местах осадков. В западной части низменности Каракумы, в Чильмамедкуме, скопление воды определяется сотнями миллиардов кубических метров.
Мощные водоносные слои обнаружены на Западно-Сибирской низменности. Они простираются примерно от линии Кустанай — Семипалатинск — Бийск—Красноярск на север и занимают все пространство между Енисеем и восточными предгорьями Урала; на севере они, вероятно, уходят под дно Карского моря. Постепенно с юга на север глубина залегания вод увеличивается от нескольких десятков метров до 1500 м и глубже, температура повышается от 5 до 70° и выше.
Естественные выходы межпластовых вод на поверхность возникают в местах наиболее благоприятного сочетания геологической структуры и рельефа и образуют обычно восходящие источники.
|
|
|
|
|
|
16. Геологические процессы и их роль в развитии земной коры
На поверхности Земли и в ее недрах протекают геологические процессы которые по источникам энергии принято делить на 2 группы: эндогенные и экзогенные.
Эндогенные процессы это процессы внутренней динамики, которые проявляются при воздействии внутренних сил Земли на твердую оболочку. К ним относятся: тектонические движения земной коры, магматизм, метаморфизм и землетрясения, которые представляют собой вид тектонических движений. Тектонические движения земной коры создают в течение длительного времени основные формы земной поверхности - гора или впадина, т.е. играют определяющую роль в формировании современного рельефа земной поверхности.
| |
| Экзогенные процессы - это процессы внешней динамики. Они протекают на поверхности Земли или на небольшой глубине в земной коре под влиянием сил, вызванных энергией солнечной радиации, силы тяжести, жизнедеятельности растительных и животных организмов и деятельности человека. К этим процессам, преобразующих рельеф материков, относятся: выветривание, различные склоновые процессы, деятельность текучей воды, деятельность океанов и морей, озер, льда и снега, мерзлотные процессы, деятельность ветра, подземных вод, процессы, обусловленные деятельностью человека, биогенные процессы. Все экзогенные процессы осуществляют геологическую работу по разрушению, переносу (денудации) и накоплению (аккумуляции) переносимого материала. Ниже рассмотрим некоторые из этих процессов. | |
| Выветривание горных пород и роль в почвообразовании. Выветриванием называется совокупность процессов количественного и качественного изменения горных пород и слагающих их минералов под воздействием атмосферы, гидросферы и биосферы. Выветривание, являющееся первым звеном в системе экзогенных процессов, способствует преобразованию горных пород в рыхлый материал (рухляк), из которого в дальнейшем образуется почва. В едином процессе выветривания в зависимости от факторов, воздействующих на горную породу и результатов его различают 3 формы - физическое, химическое и биологическое. Физическое выветривание - механическое раздробление горных пород и минералов без изменения их состава. Выветривание начинается с поверхности, здесь возникают большие градиенты суточных и сезонных температур. Постепенно выветривание захватывает более глубокие слои породы и затухает в поясе постоянных температур. Наиболее интенсивно оно протекает при больших амплитудах колебания температур (например, в жарких пустынях поверхность пород иногда нагревается до 60-70°С, а ночью охлаждается почти до 0°С). | |
| Физическое выветривание ускоряется при наличии воды, которая проникая в трещины горных пород, создает капиллярное давление большой силы. Еще сильнее разрушающая сила воды при замерзании. При этом она расширяется на 1/10 своего объема и оказывает огромное влияние на стенки трещин горных пород. В областях аридного климата аналогичную роль играют соли, проникающие в трещины и кристаллизирующиеся в них. Так, ангидрит (CaS04), присоединяя воду, превращается в гипс (CaSO4•2Н2О), увеличиваясь в объеме на 33%. | |
| В результате физического выветривания горная порода уже способна пропускать воздух и воду и задерживать некоторое количество ее. Физическое выветривание, раздробляя и разрыхляя массивные породы, значительно увеличивает общую поверхность, что создает благоприятные условия для проявления химического выветривания. Химическое выветривание. Под химическим выветриванием подразумевается разрушение и изменение горных пород под влиянием главным образом химических процессов. Под действием этих процессов возникают новые продукты, качественно отличные по составу и свойствам от разрушаемой породы. К главнейшим факторам относятся H2О, CO2, О2 воздуха и температура (повышение температуры, например на 10° С ускоряет течение химических реакций в 2-2,5 раза). Самым активным фактором химического выветривания является H2О, служащая прежде всего растворителем горных пород. Но деятельность воды не ограничивается растворением породообразующих минералов. Насыщенная углекислотой, она энергично химически разлагает сложные горные породы, образуя новые соединения. | |
| Выветривание гранита, наиболее распространенной первичной горной породы, входящей в состав массивной кристаллической земной коры, приводит к образованию на земной поверхности самых разнообразных продуктов выветривания, или вторичных минералов и пород. Надо сказать, что до возникновения жизни на Земле разрушение горных пород шло исключительно путем химического и физического выветривания. На определенной стадии развития земного шара, когда появилась жизнь, возникли новые процессы выветривания горных пород, а именно, процессы органического или биологического порядка. Биологическое выветривание. Биологическое, или органическое, выветривание вызывается жизнедеятельностью растительных и животных организмов. В результате этого выветривания наблюдается механическое разрушение и химическое изменение горных пород и минералов (пример: корни деревьев в районах выхода на дневную поверхность твердых каменистых пород, да и сама древесная растительность, может действовать на них прежде всего чисто механически, расклинивая трещины; в то же время корни всех растений выделяют различные органические кислоты, которые растворяют минеральные соединения, усиливая процесс их разрушения; при гниении растительных и животных остатков также выделяются органические кислоты). Значительную роль в биологическом выветривании играют, наконец, всевозможные микроорганизмы, лишайники, роющие и копающие животные: земляные черви, кроты и пр. (они способствуют усилению доступа H2О, СО2 в поверхностные части земной коры, выделяют кислотные остатки). | |
| Геологическая деятельность ветра. Ветром называют движение частиц воздуха в горизонтальном направлении вследствие разности в атмосферном давлении, которая возникает от неравномерного нагревания воздуха. Ветер - один из важных геологических агентов, его деятельность называют эоловой (эол по-гречески - бог ветра) или ветровой. Выражается она в разрушении горных пород (выдувании, развевании и шлифовании), транспортировке (переносе) и отложении (накоплении, аккумуляции) обломочного материала. |
|
|
|
