Геологическая деятельность подземных вод (процессы внешней динамики (экзогенные) (стр. 1 )

Лекция 8

       8.1. ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ПОДЗЕМНЫХ ВОД (ПРОЦЕССЫ ВНЕШНЕЙ ДИНАМИКИ (ЭКЗОГЕННЫЕ)

Вес воды, находящиеся в земной коре ниже ее поверхности, называются подземными. Вместе с поверхностными и атмосферными водами они формируют водную оболочку нашей планеты — гидросферу. Количество подземных вод очень велико и, по оценке , достигает 5 • 1017 т, что составляет примерно 1/3 вод Мирового океана. Изучение происхождения, состава, условий залегания, динамики подземных вод является предметом самостоятельной геологической науки — гидрогеологии.

Виды воды в горных породах

Вода, входящая в состав слагающих земную кору горных пород, может иметь различные формы связи с ними, а также находиться в различных агрегатных состояниях.

Подземную волу, находящуюся в горных породах в жидкой фазе, согласно современным классификациям, деляг на следующие основные виды.

1.        Физически прочносвязанная вода (гигроскопическая) образуется из паров воды, проникающих в поры горных пород вместе с воздухом. Адсорбируясь частицами горных пород, молекулы воды образуют на их поверхности тончайшие одномолекулярные пленки, прочно удерживающиеся молекулярными и электростатическими силами. Выделить гигроскопическую воду из породы можно лишь путем нагревания последней до температуры более 100 °С, при которой вода переходит в пар. Этот вид воды особенно характерен для тонкодисперсных пород (глины, суглинки и др.).

2.        Физически рыхлосвязанная (пленочная) вода образуется по мере увеличения количества адсорбируемой влаги, когда на поверхности минеральных частиц поверх гигроскопической воды формируются более толстые пленки из нескольких молекулярных слоев, которые удерживаются силами межмолекулярного притяжения. При различной толщине пленок эта вода медленно перемещается от частиц с большей к частицам с меньшей их толщиной, стремясь к выравниванию последней.

3.        Капиллярная (от лат. «капиллярис» — волосная) вода частично или полностью заполняет мельчайшие трещины и поры горных пород, удерживаясь в них силами поверхностного натяжения. Она может перемещаться по капиллярным каналам в любом направлении, в том числе и противоположном действию силы тяжести, т. е. снизу вверх. Высота капиллярного поднятия над уровнем подземных вод в зависимости от пород изменяется от нескольких сантиметров до 2-3 м.

4. Гравитационная (капельно-жидкая) вода возникает при полном насыщении всех пор и трещин в горных породах водой и свободно перемещается в них иод действием силы тяжести и напорного градиента, образуя скопления и потоки. Когда речь идет о геологической работе подземных вод, то в первую очередь подразумевается именно эта свободная вода.

5. Химически связанная вода (конституционная, кристаллизационная, гид ратная) входит в состав кристаллических решеток некоторых минералов или заполняет свободные пространства в них. Например, минералами, содержащими кристаллизационную воду, являются гипс (CaSO4 *2Н2О), мирабилит (Na2SO4 • 10Н2О), бишофит (MgCl2 • 6Н2О) и др. Химически связанная вода удаляется из пород либо при нагревании, либо при полном химическом разложении минералов.

Помимо жидкой воды, в породах присутствует вода, находящаяся в газообразном и твердом состояниях.

Газообразная (парообразная) вода содержится в воздухе, заполняющем все пустоты в горных породах, не занятые жидкой водой. Она обладает высокой подвижностью и находится в динамическом равновесии с парами воды в атмосфере и другими видами воды в горных породах.

Вода в твердом состоянии, в виде льда, встречается главным образом в областях распространения многолетнемерзлых горных пород (север Сибири, Канада, Гренландия).

Происхождение подземных вод. В зависимости от происхождения среди подземных вод выделяется несколько типов: инфильтрационные, конденсационные, седиментогенные, магматогенные и метаморфогенные.

Инфильтрационные подземные воды образуются путем инфильтрации (просачивания) выпадающих на поверхность земли атмосферных осадков вглубь, в водопроницаемые горные породы. Доказательством этого процесса являются повышение уровня воды в колодцах при выпадении обильных дождей или таянии снежного покрова и понижение уровня в засушливые периоды. В ряде случаев в питании подземных вод определенную роль играет фильтрация из рек, озер, водохранилищ и других наземных водоемов.

Конденсационные подземные воды формируются в результате конденсации водяных паров, находящихся в трещинах и порах горных пород. Этот процесс объясняется разностью упругости водяного пара атмосферного воздуха, с одной стороны, и заполняющего пустоты в горных породах и почвах — с другой. Обычно нагретые и обладающие большей упругостью водяные пары свободной атмосферы, попадая в условия более низких температур в горных породах, переходят в жидкую фазу. Конденсация водяных паров имеет наибольшее значение для районов пустынь, характеризующихся малым количеством атмосферных осадков и их высокой испаряемостью. Здесь периодически возникают линзы пресных коидснсацонпых вод.

Седиментогенные подземные воды образуются вследствие захоронения вод древних морских бассейнов совместно с накопившимися в них осадками. Часто их называют также реликтовыми или погребенными. В ходе последующих геологических процессов (диагенеза осадков, тектонических движений) они могут претерпевать значительные изменения. Чаще всего это высокоминерализованные (соленые) воды в относительно глубоких слоях осадочных пород. Если седиментационные воды, сформировавшиеся одновременно с осадками, остаются на месте своего возникновения, их называют сингенетическими. Если же в процессе уплотнения осадка они отжимаются в подстилающие или перекрывающие породы — эпигенетическими (приставка «сии» обозначает одновременно, «эпи» — после).

Магматогенные, или ювенильные, воды (от лат. «ювенилис» — юный) в своем происхождении связаны с магматическими расплавами, которые могут содержать до 7-10% водяных паров. В процессе кристаллизации и остывания магмы водяные пары отделяются от нее, поднимаются по трещинам и разломам горных пород и, попадая в области с более низкими температурами, конденсируются и переходят в капельно-жидкое состояние. Количество подземных вод подобного генезиса в целом невелико, и достигают они верхних горизонтов земной коры, уже будучи смешанными с водами других типов, чаще всего инфильтрационными.

Метаморфогенные воды возникают под влиянием повышенных температур и давлений, имеющих место при метаморфизме. В этих условиях вода, входящая в некоторые минералы в химически связанном состоянии, переходит в свободное состояние. Наибольшее ее количество высвобождается при разложении кристаллогидратов, поэтому эти воды называют также дегидратационными.

Из всех описанных генетических типов наибольшее знамение имеют подземные воды инфильтрационного происхождения. Доля остальных типов относительно невелика, и они редко присутствуют в чистом виде, поскольку на сложных путях миграции в земной коре разные по происхождению подземные воды зачастую смешиваются между собой, давая начало водам смешанного генезиса.

Все подземные воды, источником которых являются вода и водяные пары атмосферы и гидросферы, принято называть вадозными (в отличие от ювенильных и метаморфогенных).

Водно-коллекторские свойства горных пород

Формирование подземных вод, закономерности их размещения в земной коре, режим движения определяются водно-коллекторскими свойствами горных пород и в первую очередь их скважностью и водопроницаемостыо.

Скважность пород — это общий объем всех пустот в горной породе, обусловленный пористостью, трещиноватостью, кавернозностью, наличием карстовых полостей. Она определяет способность пород вмещать воду.

Водопроницаемость — это способность горных пород пропускать через себя воду. Между скважностью и водопроницаемостью существуют достаточно сложные связи, и проницаемость породы определяется не только объемом пустотного пространства, но и размером, формой пор и трещин, характером их соединения между собой. Этим можно объяснить тот факт, что не всегда значительная пористость обеспечивает высокую проницаемость породы.

В земной коре породы первой и отчасти второй групп играют роль коллекторов (накопителей) подземных вод, а породы третьей группы — подстилающих их водоупоров.

Из других водно-физических свойств важное значение имеет влагоемкость горных пород, то есть их способность вмещать и удерживать в себе то или иное количество воды при данных температуре и давлении.

Различают полную (абсолютную) влагоемкостъ, когда вода заполняет все полости в горных породах, включая и мельчайшие капиллярные; и максимальную молекулярную влагоемкостъ, показывающую количество воды, удерживаемой в породе силами молекулярного притяжения, когда вся гравитационная вода стечет из породы. Разность между полной и максимальной молекулярной водоемкостью называют водоотдачей горной породы. Наибольшей водоотдачей обладают крупнозернистые рыхлые породы (гравий, галечники, пески). Влагоемкие глины воду практически не отдают.

Условия залегания и движение подземных вод. По условиям залегания, гидродинамическому режиму, особенностям питания среди подземных вод могут быть выделены следующие типы: почвенные, верховодка, грунтовые, межпластовые безнапорные и межпластовые напорные (или артезианские) воды.

Почвенные воды залегают у дневной поверхности в почвенном слое и представляют собой «висячие», то есть не подстилаемые водоупором, гигроскопические, пленочные, а во влажные сезоны еще и капиллярные воды. Они образуются путем инфильтрации атмосферных осадков и конденсации влаги из воздуха. Почвенные воды подвержены значительному воздействию сезонных колебаний температуры. В летнее время они сильно прогреваются и испаряются с образованием в аридных областях солончаков и солонцов, зимой замерзают.

Верховодка так же, как и почвенные воды, находится в зоне аэрации (свободного доступа воздуха) и образуется вследствие накопления ин-фильтрациониых вод на поверхности неглубоко залегающих прослоев или линз водонепроницаемых пород. Такими часто являются линзы моренных суглинков в песчаных водно-ледниковых отложениях, глинистые слои в речных наносах и др. Мощность насыщенных водой пород невелика и обычно составляет 0,5-1 м, реже достигает 2-3 м. Поскольку верховодка не имеет сплошного водоупора, режим се крайне неустойчив. По существу, это временные скопления воды, наиболее обильные весной во время массового снеготаяния и осенью, когда выпадает большое количество атмосферных осадков. В засушливое время количество воды резко сокращается вплоть до полного се исчезновения. Вода здесь находится уже в капельно-жидкой (гравитационной) форме.