Курс лекций по инженерной геологии (стр. 29 )

Буровые скважины, в которых вода поднимается под гидростатическим напором, а иногда даже фонтанирует, называются артезианскими (Артезиа, ныне Артуа — местность на севере Франции, где впервые были изучены напорные воды), а горизонт межпластовых вод, обладающих напором воды, носит название артезианского водоносного горизонта. Напорные межпластовые воды образуются в определенных структурных условиях. Наиболее благоприятной для их формирования является прогнутая (синклинальная) форма залегания пластов. Однако подземная вода может оказаться под гидростатическим напором и при односклонном залегании слоя, если водопроницаемость его постепенно уменьшается или он сменяется водонепроницаемым слоем. При чередовании водопроницаемых и водонепроницаемых пластов может быть несколько водоносных горизонтов с напорной водой.

Областью питания подземных вод является место выхода водопроницаемых пород на поверхность Земли. Области питания и распространения межпластовых вод составляют бассейн артезианских вод. Иногда напорные воды по трещинам или при частичном размыве водоносного горизонта выходят на поверхность, образуя восходящие родники.

Глубина залегания артезианских вод (так же как и наличие их), температура, состав вод определяются естественноисторическими условиями бассейна и прежде всего геологическим строением его.

Артезианские воды широко используются для водоснабжения промышленных и коммунальных предприятий, так как бассейны артезианских вод нередко содержат большие запасы воды хорошего качества, причем качество и количество ее изменяются мало. Так, г. Махачкала широко использует для отопления жилых и промышленных зданий, а также для парников воду из артезианского бассейна с t=65° С.

Минерализация подземных вод. Подземные воды являются растворами сложного состава. В виде примесей в них содержится то или иное количество углекислого газа, иногда сероводорода, метана и других газов, растворенные соли различных кислот, различных органических веществ. Содержание растворенных компонентов принято называть общей минерализацией воды, определяющейся путем выпаривания воды в фарфоровой чашке. Оставшийся сухой остаток, просушенный при температуре 105—110° С, выражают в граммах или миллиграммах плотного (сухого) остатка на 1 л воды. разделил все воды по степени минерализации на пресные — с сухим остатком до 1 г/.г, солоноватые — от 1 до 10 г/л, соленые — от 10 до 50 г/л и рассолы — более 50 г/л (до 550 г/л). Среди пресных вод выделяются жесткие — с сухим остатком 0,25—1 г/л и мягкие — с сухим остатком менее 0,25 г/л. Жесткость подземных вод определяется наличием солей Са(НСО3)2, Mg(HCO3)2, CaSO4, MgSO4, СаС12, MgCl2; соленость — CaS04, MgSO4, СаСl2, MgCl2 NaHCO3, Na2SO4, NaCl; щелочность — Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2, NaHCO3.

Минерализация подземных вод зависит от степени растворимости горных пород, с которыми они соприкасались на пути от области питания к области расходования, от температуры воды, наличия в воде растворенных газов и солей (до соприкосновения с новыми породами), от продолжительности соприкосновения.

Растворимость различных минералов или пород в воде неодинакова. Легкорастворима, например, поваренная соль (сотни граммов на 1 л воды). Гипс и ангидрит считаются среднерастворимыми (3—5,5 г/л). Труднорастворимы известняк и доломит (при нормальной температуре и давлении — 0,2—0,3 г/л. Сравнительно хорошо растворимы в подземной воде сульфиды, поэтому их и ряд других полезных ископаемых можно находить на основе изучения химического состава подземных вод. Кварц, полевой шпат и слюды относятся к практически нерастворимым.

Растворимость отдельных пород резко повышается при наличии в воде тех или иных газов или солей. Так, например, в 1 л воды, лишенной углекислоты, может раствориться не более 0,2 г кальцита. Если вода насыщена углекислотой, растворимость кальцита повышается в три-пять раз. Такая вода, протекая в известняках, несет довольно много бикарбоната кальция. В случае испарения углекислоты часть его выпадает в осадок. Присутствие в воде поваренной соли (NaCl) повышает растворимость гипса в 2,5—3,5 раза. Органические вещества, содержащиеся в воде, являются восстановителями различных минеральных соединений.

Повышение температуры также способствует растворяющей деятельности подземных вод.

Температура подземных вод зависит от глубины их залегания и глубины циркуляции. Воды с температурой до 20° С называют холодными, от 20 до 42° С — теплыми, а выше — горячими, термальными водами, или термами. Термальные воды поднимаются к земной поверхности чаще с большой глубины. Вблизи вулканических очагов (действующих или потухших) глубина их небольшая.

Воды этих районов называются термальными — вулканогенными. С вулканическими очагами связаны также гейзеры — периодически действующие источники, выбрасывающие фонтаны пара и горячей воды (t=80—100° С). Высота фонтанов у отдельных гейзеров достигает 50 м и выше. Гейзеры имеются в Исландии, Италии, на острове Ява, в Новой Зеландии, в Америке  (йеллоустонский национальный парк), в Тибете, на Камчатке где их описано несколько десятков.

Не все высокотемпературные подземные воды свидетельствуют о связи их с магматическими очагами. Нередко вадозные воды, передвигаясь на глубинах 1,5—2,0 км и более нагреваются за счет общего возрастания температуры с глубиной. Под гидростатическим или газовым напором они поднимаются по локальным трещинам в земной коре пли изливаются на поверхность Земли при вскрытии водоносных горизонтов буровыми скважинами, если воды эти обладают напором. Так, в Московском артезианском бассейне (на глубине 1,4—1,5 км) вскрыта вода с температурой 40°, в Тбилиси 50°, в Ташкенте на глубине 2,5 км 70° С. Температура термальных источников не зависит от времени года. У различных источников температура различна: термальные источники в Горячеводске на Кавказе имеют температуру от 44 до 80°, пятигорские источники — от 27 до 51°, железноводские — до 44°, источник Арасан в Ангренском бассейне (Тянь-Шань) — 39,5°, источники Баргузинского заповедника — от 43 до 76° имеется источник с температурой 101° С.

Если вода обладает редкими растворенными в ней солями, высокой температурой, радиоактивностью или газирована, она называется минеральной.

Наиболее известными типами минеральных вод являются: 1) углекислые воды, сильно газирующие углекислотой (нарзан Кисловодска, славяновская вода Железноводска); 2) сероводородные, или сульфидные, воды (воды Мацесты, Сергиевские минеральные воды в Поволжье); 3) радиактивные (радоновые) воды (Цхалтубо, Белокуриха в Алтайском крае и т. п.) и др. Широко минеральные воды используются для бальнеологических целей.

Воды с большим содержанием в них солей используются для получения йода, брома, бора и ряда других химических продуктов.

Разрушительная и созидательная деятельность подземных вод. Подземные воды, перемешаясь по пустотам пород, вступают с последними во взаимодействие и производят геологическую работу. В этом отношении подземные воды можно, с одной стороны, рассматривать, как фактор разрушительный, а с другой — как фактор созидательный.

Разрушительная деятельность подземных вод проявляется как в растворении, так и в механическом размыве горных пород. Причем в отличие от поверхностных вод работа подземных вод проявляется в большей мере в химическом разрушении, выщелачивании нежели в механическом размыве. Подземная вода, богатая кислородом, углекислотой, органическими и неорганическими веществами, является геологическим фактором, разлагающей и растворяющей силе которого с течением времени не может сопротивляться ни одна порода.

Совокупность геологических явлений, связанных с частичным растворением и размывом водой горных пород и образованием в них крупных ходов и полостей, называют карстовыми явлениями, или карстом, а районы их развития — карстовыми областями.

Интенсивному карстованию подвержены известняки, доломиты, гипсы, ангидриты, причем выщелачивание их может происходить как на поверхности, так и на глубине. Вначале по гладкой поверхности, например, известняка, струн воды, насыщенные углекислотой, растекаются более или менее равномерно. Но как только появляются на этой поверхности первые промоинки, приуроченные нередко к тончайшим трещинам, возникает направленный сток — сосредоточивается в промоинах. В этих местах выщелачивающая деятельность воды становится интенсивнее, промоинки расширяются и углубляются. В конечном итоге поверхность известнякового массива оказывается изрезанной бороздами и желобами (каррами), разделенными узкими гребнями: превышение последних над первыми достигает иногда 8—12 м. Такая поверхность называется карровой.

Вода, движущаяся по поверхности известкового массива, при встрече трещины проникает по ней в глубь массива, производя размывающую и растворяющую работу. В результате образуются карстовые колодцы. Подход к колодцу часто представляет собой воронкообразное углубление, в которое вода, по народному выражению, “поныряет”, отсюда и название этих колодцев “поноры”:. Воронки являются преимущественно сухими и лишь сдельные из них бывают заполнены водой (карстовые озера). Воронки — наиболее распространенные формы карста. Они развиты в Архангельской, Вологодской, Тульской, Горьковской областях, вдоль западного склона Урала, в бассейнах Ангары, Енисея, на Кавказе, в Крыму. Воронки располагаются иногда цепочкой вдоль разлома или над горизонтальным карстовым каналом, или над крупной вытянутой пещерой. Сливаясь, они могут образовать более крупные карстовые внешние формы — котловины, или полья. Полья могут возникнуть и путем провала кровли над внутренними формами карста. В рельефе они представляют собой нередко обширные замкнутые впадины с крутыми бортами и с плоским дном, изобилующим понорами, площадью в несколько десятков или единиц сотен квадратных километров. К ним бывают приурочены озера и речки.

В карстовых областях наблюдается исчезновение рек и периодическое исчезновение озер. Река, вступая в район развития карста, уходит под землю, не замедляя иногда своего течения. Примеры исчезновения рек можно наблюдать в Крыму, на Кавказе. Наиболее характерным отличием подземных водотоков в закарстованных областях является подчинение их не только действию силы тяжести, но и закону сообщающихся сосудов, поэтому при сифонообразных формах ходов водотоки могут быть восходящими. Временное исчезновение озер в карстовых областях наблюдается в засушливые годы или сезоны года, когда уровень грунтовых вод в карстовых пустотах резко понижается.