Воды в земной коре зависит от

Подземные воды залегают в водопроницаемых рыхлых (песок, гравий) и скальных (известняк, песчаник и др.) горных породах.

При характеристике условий залегания подземных вод применяют понятия и термины, приведенные ниже.

Водоносные породы — пласты, линзы и другие формы залегания водопроницаемых горных пород, в которых имеются поровая, трещиноватая и карстовая среды, содержащие подземную воду.

Водоносным горизонтом называют часть пласта или пласт, заполненные водой, приуроченные к одной или нескольким регионально выдержанным толщам водопроницаемых пород, гидродинамически связанным между собой и имеющим общую гидравлическую (при безнапорных водах) или пьезометрическую (при напорных водах) поверхность.

Водоносный комплекс — это комплекс водоносных горизонтов, одинаковых или различающихся по литологическому составу и пористости, приуроченных к породам какого-либо стратиграфического подразделения, среди которых вследствие изменчивости их вещественного состава, сложности тектонических условий или недостаточной изученности водовмещающих пород нельзя выделить отдельные гидравлически самостоятельные водоносные горизонты.

Площадь, в пределах которой распространен водоносный горизонт или комплекс, называется областью, или площадью распространения, а площадь, на которой происходит питание водоносного горизонта, — областью питания. Площадь, где подземные воды вытекают из водоносного горизонта или комплекса, называется областью разгрузки, или дренажа. Области питания и распространения водоносных горизонтов (комплексов) могут совпадать (в случае безнапорных) или не совпадать (в случае напорных вод).

В практике горного дела водоносные горизонты подразделяются в зависимости от их положения относительно пласта полезного ископаемого: если водоносные горизонты залегают над полезными ископаемыми, они называются надрудными (надугольными), если ниже — подрудными (подугольными).

Условия питания водоносных горизонтов зависят от многих факторов. Ведущую роль играет климат. Подземных вод больше там, где выпадает много атмосферных осадков. Большое значение имеют литологический состав пород, залегающих на поверхности, и рельеф (плоский, расчлененный, горный и т. п.).

Грунтовыми водами называют подземные воды первого от поверхности земли постоянно существующего водоносного горизонта, расположенного на первом водонепроницаемом слое. Грунтовые воды имеют свободную водную поверхность. Атмосферные осадки или поверхностные воды, просачиваясь в поры и пустоты горных пород, достигают на какой-то глубине водоупорного слоя и начинают скапливаться, образуя грунтовые воды. Расстояние от поверхности водоносного горизонта до водоупора называют его мощностью.

Рис. 1. Распределение подземной воды в верхней части земной коры.

Зоны: 1 — капиллярная; 2 — водонасыщенная (грунтовый поток)

Рис. 2. Схема грунтового бассейна:

1 — поверхность земли; 2 — уровень грунтовых вод; 3 — водоупор

Рис. 3. Распределение гидроизогипс (в м):

а — гидроизогипсы пересекают водоток без искривления; б — река питает грунтовые воды; в — грунтовые воды питают реку; г — река дренирует (на правом склоне) и питает (на левом) грунтовые воды. Пунктир — уровень подземных вод

Верхняя часть земной коры между земной поверхностью и поверхностью грунтовых вод называется зоной аэрации. В породах этой зоны в порах, трещинах и других пустотах находится парообразная, физически связанная и капиллярная вода (рис. 1).

Поверхность грунтовых вод часто называют уровнем, или зеркалом, грунтовых вод. Глубина залегания зеркала грунтовых вод может быть самой различной.

Грунтовые воды, у которых зеркало представляет собой горизонтальную поверхность, называют бассейном грунтовых вод. Такие бассейны чаще всего образуются при наличии в водоупорном ложе котловины (мульды) (рис. 2). Если же зеркало грунтовых вод наклонное, что свидетельствует об их движении в направлении уклона, то образуется поток грунтовых вод.

Питание грунтовых вод происходит в результате инфильтрации атмосферных осадков (дождь, тающий снег) и поверхностных вод (из рек, озер, прудов), подтока из других водоносных горизонтов (напорных трещинных, карстовых) и конденсации паров воды.

Питание грунтовых вод за счет поступления поверхностных вод происходит повсеместно. В период весенних половодий, а также при выпадении обильных осадков уровень поверхностных вод поднимается, превышая уровень грунтовых вод прибрежной территории. В результате значительная масса воды из поверхностного водоема просачивается в породы, слагающие его берега, питая грунтовые воды. В меженный период, когда уровень воды в водоеме ниже, чем уровень подземных вод, грунтовые воды питают водоемы.

Из сказанного следует, что между поверхностными и грунтовыми водами существует постоянная гидравлическая связь, причем существуют две формы этой связи — режимы подпертой и свободной фильтрации. О характере этой связи можно судить по карте гидроизогипс.

Гидроизогипсами называют линии, соединяющие точки с одинаковыми отметками уровней грунтовых вод. Их строят так же, как изогипсы рельефа земной поверхности.

Если гидравлической связи между поверхностными и грунтовыми водами нет, то гидроизогипсы пересекают поверхностный водоем без искривлений (рис. 3, а), а если грунтовые воды питаются за счет инфильтрации поверхностных вод, то гидроизогипсы изгибаются вниз по течению рек (см. рис. 3, 6), так как зеркало грунтовых вод в этом случае имеет наклон от реки. Если грунтовые воды питают поверхностный водоток, то гидроизогипсы будут изогнуты вверх по течению реки (см. рис. 3, в), так как зеркало грунтовых вод в этом случае наклонено к реке.

Возможна и такая связь между грунтовыми и поверхностными водами, когда на одном склоне долины грунтовые воды питают реку, а на другом река питает грунтовые воды. В этом случае гидроизогипсы на одном берегу будут изогнуты вверх, а на другом — вниз по течению реки (см. рис. 3, г).

При гидрогеологических исследованиях определение характера питания исследуемого водоносного горизонта является весьма важной задачей (особенно при осушении месторождений полезных ископаемых), так как выбор наиболее рациональных способов осушения в значительной степени определяется условиями питания водоносных горизонтов, подлежащих осушению.

• Как образуются подземные воды?
• Понятие о водоносных горизонтах
• В какой форме бывает вода под землёй?
• Подземные воды по пространственной форме залеганияВерховодкаГрунтовые водыМежпластовые подземные воды
• Верховодка
• Грунтовые воды
• Межпластовые подземные воды
• Подземные воды регионов активного вулканизма
• Родники (ключи, источники)

Подземные воды — главный источник пресной питьевой воды для человека. В земной коре воды намного больше, чем во всех реках, озёрах и болотах Земли (1,71% гидросферы). Но она не везде пресная и накапливается крайне медленно, что важно учитывать при её расходовании. Также необходимо уберечь её от загрязнения. Мы уже сделали непригодными для питья воды рек и озёр, теперь добираемся и до последнего своего источника.

• участвуют в гидрологическом цикле Земли;
• пополняют реки, озёра, болота;
• растворяют различные вещества в породах и переносят их;
• вызывают оползни, заболачивание;
• обеспечивают растения влагой и население питьевой водой;
• выходят на поверхность в виде разгрузок — родников, или источников, часто горячих или минеральных;
• в виде водяного пара и горячей воды гейзеров служат для отопления зданий, теплиц и энергетических установок;
• встречая на своём пути растворимые горные породы, вымывают в них пустоты и пещеры (карст).

Наука о подземных водах называется , она появилась в 1674 году после публикации ученым П. Перро своей работы „Происхождение источников“. Официальное название она получила после издания в 1802 году Ж. Ламарком книги „Гидрогеология, или Исследование влияния воды на поверхность земного шара“. Как наука определяет термин „подземные воды“?

Все воды земной коры, находящиеся ниже поверхности Земли в горных породах в газообразном, жидком и твёрдом состояниях, называются подземными водами. Они включают свободную и связанную воду .

Вода есть в материковой и океанической земной коре. На материковом шельфе (материковая земная кора) совсем недавно были обнаружены большие хранилища пресных вод. Они расположены у берегов Северной и Южной Америк, Китая и Австралии. Их объём примерно равен 500 тыс. км3, а это в 100 раз больше добытой за весь XX век воды из земной коры.

Подземные воды распространены повсеместно, они есть даже под самыми крупными и сухими пустынями, например под Сахарой. Подземное море Саворнина, названное в честь его первооткрывателя француза Жюстена Саворнина, содержит около 70 млн. км3 пресной воды.

Карту подземных ресурсов мира создало ЮНЕСКО в ходе выполнения Всемирной программы гидрологического картирования и оценки (WHYMAP). На ней хорошо видно, какие районы Земли богаты подземными водами. Больше всего их в земной коре Южной Америки.

Как образуются подземные воды?

Основной источник пополнения подземных вод — это атмосферные осадки. Вода с поверхности просачивается сквозь породы. Одни из них пропускают её легко, их называют водопроницаемыми, другие с большим трудом (относительно водонепроницаемые). Такой тип вод называют .

Второй путь появления воды под землёй — конденсация водяного пара из попавшего в поры и трещины горных пород воздуха. Особенно характерно это для пустынных районов. Там горячий воздух конденсируется над солёными грунтовыми реликтовыми водами, образуя пресноводные линзы. Это воды.

, или воды — это захороненные остатки древних океанов, закрытые осадочным чехлом горных пород. Они солёные и непригодные для питья.

Во время процессов, происходящих в магме — землетрясений, извержений вулканов и др. происходит выделение небольшого количества термальных вод. По происхождению такие воды называют . Таким способом образуется наименьшее количество гидроксида водорода в земной коре.

Понятие о водоносных горизонтах

В просачивании поверхностных вод большое значение имеет проницаемость горных пород. В одних районах вода застаивается, почти не проходя в грунт, образуя болота или полноводные реки (Енисей). А в других местах она очень быстро оказывается под землёй, не давая возможности растениям удержать её (Австралийские пустыни).

Все горные породы по проницаемости делятся на 3 группы:

• (пески, галечники, гравий, песчаник с большим количеством трещин, растворимые породы — доломиты, известняки и др.);
• (супеси, легкие суглинки, лёсс, неразложившийся торф);
• , или (глины, тяжёлые суглинки, хорошо разложившийся торф и нетрещиноватые массивные кристаллические осадочные горные породы).

Представления о водопроницаемых и водоупорных породах относительны, поскольку в разных геолого-структурных и термодинамических условиях одна и та же порода может быть либо водоносным горизонтом, либо водоупором.

При значительных перепадах давлений и повышенных температурах водопроницаемыми могут быть даже толщи глин мощностью несколько десятков метров. Однако при господствующих в верхней части земной коры (до 2-5 км) температурах и давлениях породы с коэффициентом проницаемости менее 0,1 мкм2 являются достаточно надежными водоупорами.

Водоносным горизонтом называется водопроницаемый пласт, насыщенный водой, находящейся в постоянном движении благодаря гидравлической связи и перепаду давления, существующих во всем пласте, и ограниченный водонепроницаемыми породами снизу и сверху или только снизу.

Пласт, подстилающий водоносный горизонт, называется , а пласт, перекрывающий его, — почвой водоносного горизонта. Поверхность, образованная подземными водами, носит название зеркала подземных вод. Для первого от поверхности водоносного горизонта, воды которого называются грунтовыми, зеркало является границей, разделяющей зону и зону .

Различают и водоносные горизонты. Безнапорные водоносные горизонты не имеют перекрывающих непроницаемых горных пород, вследствие чего питание атмосферными осадками происходит по всей площади их распространения и подземные воды испытывают только атмосферное давление.

Напорные водоносные горизонты, наоборот, перекрыты трудно проницаемыми горными породами и поэтому характеризуются давлениями, превышающими атмосферное. Питание этих горизонтов атмосферными осадками может осуществляться только на отдельных участках, где отсутствуют перекрывающие слабопроницаемые породы. Часто напорные водоносные горизонты могут переходить в безнапорные и наоборот.

В какой форме бывает вода под землёй?

Вода в недрах земной коры бывает:

• — находится в воздухе, заполняющем трещины горных пород;
• — образуется при адсорбции молекул водяного пара поверхностью минеральных частиц горных пород. Гигроскопическая вода образует тонкую плёнку на поверхности горных пород и удерживается молекулярными и электрическими силами;
• — образует более толстую плёнку поверх гигроскопической воды и вокруг частиц горных пород. Она может перемещаться от большей концентрации воды к меньшей, от частицы к частице, пока плёнка на них не станет одинаковой толщины;
• — заполняет тонкие трещины и поры, удерживаясь при помощи силы поверхностного натяжения. Капиллярная вода поднимается вверх над поверхностью грунтовых вод, её используют растения для почвенного питания;
• свободной (капельножидкая) гравитационной. Свободно передвигается по пустотам, трещинам и порам под влиянием силы тяжести. Она делится на воду, полностью заполняющую поры и трещины в горных породах, образующую горизонт подземных вод и воду, просачивающуюся сверху вниз в зоне аэрации — в зоне, расположенной выше грунтовых вод, где в горных породах находится воздух;
• (в виде льда). Образуется при отрицательных температурах горных пород. Лёд может находиться в литосфере в виде отдельных кристаллов, в виде плёнки или прослоек. Особенно много льда в областях распространения “многолетней мерзлоты“ — на Аляске и в северной части Сибири;
• — является частью кристаллических решёток горных пород.

Подземные воды по пространственной форме залегания

Все подземные воды делятся на свободные и связанные, находящиеся в горных породах. В России по форме залегания чаще используют классификацию Е. В. Пиннекера, наиболее полно соответствующую современному уровню знаний. В ней выделяются:

• подземных вод в зависимости от нахождения в главных элементах земной коры и земной поверхности;
• — по степени насыщения горных пород водой;
• — на основе гидравлических признаков;
• — разновидности подземных вод по характеру залегания;
• — исходя из водно-коллекторских свойств горных пород;
• — определяются спецификой природных условий.

В зависимости от условий залегания различают: почвенные воды, верховодку, грунтовые и артезианские воды.

Пространственная форма залегания подземных вод

Верховодка

Верховодка — тип подземной воды, которая образуется на линзах и выклинивающихся пластах водоупорных или слабопроницаемых пород в зоне аэрации за счёт инфильтрации атмосферных и поверхностных вод. Некоторое количество воды может появляться в результате конденсации.

Такие условия могут быть созданы залеганием размытых образований среди песков или линз глинистых отложений среди аллювиальных наносов, погребёнными почвами, ледниковой мореной, остатками коренных пород, мёрзлыми породами и др. Иногда причиной образования верховодки может служить наличие под почвенным слоем иллювиального горизонта, создающего местный водоупорный слой прерывистого и ограниченного по площади распространения.

Мощность верховодки чаще равна 0,4–1,0 м, редко достигает 2-5 м. Она формируется главным образом в суглинистых грунтах. На формирование верховодки существенное влияние оказывает рельеф местности, климатические условия, форма и размер водоупорного слоя, глубиной его залегания, водопроницаемостью вмещающих пород.

Обычно же верховодка образуется в виде временного сравнительно маломощного водоносного горизонта, исчезающего в засушливые периоды и вновь образующегося в периоды интенсивного увлажнения.

На крутых склонах, где осадки расходуются в основном на поверхностный сток и в незначительном количестве на инфильтрацию, верховодка отсутствует или существует весьма короткое время. На плоских водораздельных и степных пространствах с блюдцеобразными понижениями, а также на поверхности речных террас создаются благоприятные условия для формирования более устойчивой во времени верховодки.

Отличительные признаки верховодки:

• ограниченная площадь распространения, определяемая размерами водонепроницаемых линз;
• расположение выше постоянно существующего горизонта подземных вод, приуроченная к поверхности слабо проницаемых горных пород, заключённых среди водонепроницаемых;
• резкие колебания уровня воды, состава и её запасов в зависимости от климата района распространения верховодки;
• отсутствие гидравлической связи с речными водами;
• легкое загрязнение воды другими водами (почвенными, болотными, промышленными и др.);
• в подавляющем большинстве непригодность для постоянного водоснабжения;
• своеобразие динамики — она может участвовать в питании грунтовых вод и может быть полностью израсходована на испарение.

К разновидностям верховодки A. M. Овчинников относит почвенные воды, болотные воды и воды песчаных дюн.

Почвенные воды

Почвенные воды — это совокупность всех типов вод почвенного слоя, которая определяет структуру, свойства и водный режим почв. Среди почвенных вод наибольшее значение для растений имеют пленочные, капиллярные и свободные. При интенсивном испарении капиллярных вод образуются не только засоленные грунты и солёные воды, но и своеобразные типы почв — солонцы и солончаки. Почвенные воды оказывают большое влияние на формирование химического состава грунтовых вод.

При неглубоком залегании грунтовых вод почва избыточно увлажняется, в ней развиваются восстановительные процессы, начинается заболачивание. Испарение грунтовых вод в этом случае приводит к накоплению в почвах кальция, магния, сульфидов, хлоридов, натрия, железа, фосфора. При глубоком залегании грунтовых вод почвенные воды выносят в грунтовые водоносные горизонты различные соли, формируя тем самым химический состав грунтовых вод.

Гравитационная вода в почве не образует водоносного горизонта. В связи с этим она не может перемещаться в горизонтальной плоскости под действием напорного градиента, а передвигается вертикально вниз под действием сил тяжести или под действием капиллярных сил в любых направлениях.

Про болота мы уже говорили в этой статье: https://tvoiklas.ru/bolota/

Воды песчаных дюн

Часто встречаются в засушливых (пустынных) районах и вызывают большой интерес, поскольку являются пресными. Их накопление происходит в случае, когда зона аэрации сильно проницаема (песок), что позволяет воде весной при таянии снега или выпадении дождя быстро проникать на глубину большую, чем критическая глубина испарения (обычно 2-3 м), и при наличии водоупора с мульдообразным рельефом оставаться в песках в течение длительного времени.

Примерно так же формируются пресные воды в песчаных дюнах на побережьях морей, где они залегают выше солёной морской воды. Подземные воды песчаных дюн в отдельных регионах, например в Каракумах, широко распространены и рассматриваются как имеющие большое практическое значение для целей водоснабжения.

Грунтовые воды

Грунтовые воды — свободные воды первого от поверхности постоянно действующего водоносного горизонта, залегающего на первом выдержанном по площади водоупорном пласте полного насыщения. Главное отличие грунтовых вод от вод верховодки заключается в том, что первые залегают в зоне полного насыщения, вторые — в зоне аэрации. Если такие воды залегают в порах осадочных пород, то они называются , если в трещинах скальных пород — или .

Уровень грунтовых вод колеблется по сезонам года и различен в разных зонах. Так, в тундре он практически совпадает с поверхностью, в пустынях находится на глубине 60-100 м. Существенное влияние на глубину залегания грунтовых вод оказывает растительность. Лес, например, в аридных районах снижает уровень грунтовых вод вследствие интенсивной транспирации. О транспирации можно судить по следующим данным: за вегетационный период ива испаряет 91,4 м3; тополь — 82,9 м3; абрикос — 32,9 м3.

На этом иссушающем влиянии леса основаны рекомендации по созданию лесных полос вдоль оросительных каналов в целях перехвата фильтрационных вод и снижения уровня грунтовых вод.

Основные признаки грунтовых вод:

• в большинстве своём они являются водами безнапорными, имеют свободную поверхность и непосредственную связь с атмосферой (давление на поверхности грунтовых вод равно атмосферному); на отдельных участках, где имеется локальное водоупорное перекрытие, приобретают местный небольшой напор, который определяется положением уровня грунтовых вод на примыкающих участках, не имеющих водоупорного перекрытия;
• глубина залегания уровня, температура вод, минерализация, расход подвержены систематическим колебаниям, происходящим, как правило, ежесуточно, ежемесячно, в течение одного или нескольких лет;
• имеют широкое, почти повсеместное распространение в природе;
• приурочены главным образом к рыхлым отложениям четвертичного возраста;
• формируются на междуречных массивах, в аллювии древних и современных речных долин, в предгорных конусах выноса, в зоне выветривания трещиноватых массивных пород;
• легкодоступны для практического использования, но вследствие залегания на незначительной глубине подвергаются загрязнению;
• область их питания совпадает с областью распространения;
• по возрасту грунтовые воды являются современными, но в геологическом смысле, так как возраст их может достигать 20-50 тыс. лет.

Питание происходит за счёт:

– инфильтрации атмосферных осадков и снеговых вод;

– фильтрации из рек, озёр, различных каналов;

– конденсации водяных паров;

– подтока (дополнительного питания) из более глубоких водоносных горизонтов.

Водонепроницаемые породы, на которых формируются грунтовые воды, называются водоупорным ложем грунтовых вод, или просто . Поверхность грунтовых вод называется или зеркалом грунтовых вод.

Расстояние от кровли водоупорного ложа до зеркала грунтовых вод составляет мощность грунтового горизонта. Так как уровни грунтовых вод подвержены значительным колебаниям, мощность водоносного горизонта грунтовых вод непостоянна.

В природе грунтовые воды в зависимости от геоморфологического и геологического строения местности образуют различные формы залегания, к которым относятся:

• — безнапорный водоносный горизонт, движение воды в котором происходит под влиянием силы тяжести в направлении уклона поверхности (зеркала) грунтовых вод. Площадь распространения потока грунтовых вод называется бассейном стока этих вод;
• — понижение в водоупорном ложе, выполненное водопроницаемыми породами, насыщенными водой, имеющей горизонтальную поверхность;
• при переполнении водой этих понижений образуется сочетания грунтового потока с бассейнами. Не следует, однако, представлять границу между грунтовым бассейном и грунтовым потоком как плоскость раздела неподвижных и подвижных грунтовых вод. Движение грунтового потока захватывает область грунтового бассейна с постоянным уменьшением скорости по глубине.

Поверхность грунтовых вод изображается на карте при помощи гидроизогипс. называются линии, соединяющие точки с одинаковыми отметками поверхности грунтовых вод.

Межпластовые подземные воды

Это водоносный горизонт, расположенный ниже грунтовых вод, замкнутый между двумя водоупорными слоями. Отличия межпластовых вод от грунтовых в:

• более постоянном уровне;
• большей чистоте;
• залегании на глубине от 7 до 10 км (есть вероятность залегания их на глубине в 15-20 км);
• область питания и создания напора и область их распространения не совпадают и часто удалены одна от другой на большие расстояния.

Безнапорные межпластовые воды встречаются, но довольно редко. Они не заполняют всего водоносного горизонта и выходят на поверхность в виде источников береговых склонах рек и оврагов. Межпластовые воды, залегающие в вогнутых тектонических структурах и заполняющие весь водоносный горизонт, обладают напором. Причины создания напора:

• геостатическая нагрузка (вес вышележащих горных пород);
• тектонические напряжения;
• изменение пористости пород.

Выделяют три основные схемы формирования потока межпластовых подземных вод:

• — на участках с наклонным залеганием слоёв. Питание формируется за счёт инфильтрации атмосферных осадков, поглощения поверхностных вод, нисходящей фильтрации из грунтового водоносного горизонта. Разгрузка происходит в понижениях рельефа, при вскрытии межпластового горизонта эрозионными врезами, перетеканием по ”гидрологическим окнам”;
• (схема А.Н. Мятиева) — характерна для слоистых толщ с чередованием водоносных и водоупорных пород. В центральных частях междуречий напоры уменьшаются с увеличением глубины залегания водоносного горизонта. Формируется нисходящая межпластовая фильтрация (перетекание) — область питания. На пониженных участках территории величина напора увеличивается с увеличением глубины залегания водоносных горизонтов. Формируется восходящая межпластовая фильтрация — область разгрузки;
• . Элизия — отжатие. Питание межпластовых вод происходит путём отжатия из уплотняющихся пород или при дегидрации породообразующих минералов. Активно протекает на участках интенсивного прогибания (погружения) участков земной коры. В центральной части прогиба — максимальное пластовое давление, к периферии оно уменьшается. Движение межпластовых вод происходит от центра прогиба к его периферии, либо в направлении участков с открытой гидравлической связью (тектонические нарушения, лиологические “окна“).

Артезианские подземные воды

Артезианские воды — напорные межпластовые воды. Наличие напора, проявляющегося в поднятии подземных вод над кровлей водоносного горизонта. Различают два уровня артезианских вод: уровень появления воды в выработке (появившийся уровень) и установившийся (напорный или пьезометрический) уровень, который может быть выше и ниже поверхности земли.

Строение артезианского бассейна

Такие воды встречаются в основном в дочетвертичных отложениях, образующих крупные геологические структуры, как на платформах, так и в горно-складчатых областях.

Артезианские воды получили свое название от провинции Артуа на юге Франции, где в 1126 г. впервые в Европе были описаны самоизливающиеся воды, вскрытые пройденным колодцем. С того времени артезианскими стали называть любые самоизливающиеся на поверхность воды. Позже выяснилось, что принципиального различия между самоизливающимися и несамоизливающимися водами нет. Более того, из одного и того же горизонта в одном месте может быть получен фонтан воды, а в другом — нет. Всё зависит от соотношения пьезометрической поверхности воды и дневной поверхности. Если первая выше второй, то скважина фонтанирует, и наоборот.

В России артезианские воды использовались также с древних времен, особенно для добычи соли из рассолов. Так, в Духовной Великого князя Ивана Калиты (1338 г.) упоминается о “солёных колодезях” Соль-Галицка. В других источниках находим сведения о ”водяных колодезях”, дающих пресную воду.

Западно-Сибирский артезианский бассейн — крупнейший в мире. Его площадь составляет 3 млн. км2. Расположен он на территории Западно-Сибирской равнины. Его воды на глубине 1,5-3 км в районе Тобольска и Малого Алтыма достигают 100-150°С. Их можно использовать для отопления.

Большой Артезианский бассейн Австралии — второй по величине подземный резервуар пресной воды в мире. Его площадь равна 1711 тыс. км², занимает он почти 23 % материка.

Нубийский водоносный горизонт расположен на северо-востоке пустыни Сахара, на территории Ливии, Судана, Чада и Египта. Он содержит 150 тыс. км3 пресной воды.

Подземные воды регионов активного вулканизма

Активный современный вулканизм приурочен в основном к регионам, где континентальная кора соседствует с океанической: островным дугам, глубоководным желобам, побережьям внутренних морей и редко к молодым разломам, расположенным на континентах. Там происходит смешение холодных вод с более горячими глубинными.

Холодные воды в районах возвышенных участков поверхности по зонам проницаемости глубокого заложения поступают к областям горячих и перегретых вод. В результате смешения формируется общий поток термальных вод, который разгружается в горизонт аллювиальных отложений и частично на поверхности в виде родников. При этом движение вод и вниз, и вверх осуществляется по жилам и трещинам разнообразного строения и генезиса.

В вулканических районах можно выделить два типа подземных водоносных систем, связанных с действующими вулканическими аппаратами, кальдерами и тектоно-вулканическими депрессиями: нисходящих и восходящих. К первым (нисходящим) относятся вулканические постройки, приподнятые на значительную высоту над окружающей местностью и характеризующиеся интенсивным водообменом.

Вулканические термы Камчатки

Большое количество атмосферных осадков, выпадающих на хорошо проницаемые породы, определяет их гидрогеологическое значение как участков интенсивного питания многочисленных разломов и трещин, служащих проводниками этих инфилътрационных вод на значительные глубины.

Механизмы восходящего движения подземных вод связаны не только и не столько с разностью отметок областей их питания и разгрузки, что характерно для классических артезианских бассейнов, сколько с так называемыми термоартезианским давлением и явлением парлифта (вскипанием горячих вод при снижении гидростатического давления), вызываемых тепловым расширением воды. В зонах активного вулканизма подземные воды образуют:

• береговые термы, вскрываемые вблизи берегов океана или моря и отличающиеся высокой минерализацией;
• фумаролы — вулканические эманации в виде парогазовых струй или спокойных выделений газов из трещин и каналов в жерлах, на внутренних стенках, внешних склонах вулканов (первичные фумаролы) или на поверхности неостывших лавовых потоков и пирокластических покровов (вторичные фумаролы). В зависимости от стадии вулканической деятельности фумаролы имеют различные температуру и состав активных газов;
• гейзеры — своеобразные родники, периодически, строго закономерно выбрасывающие воду и пар. Морфологически гейзер представляет систему, состоящую из канала, подводящую перегретую воду или горячий пар к находящемуся вблизи от поверхности подземному резервуару (камере), в который по боковым каналам или трещинам поступает холодная или метеорная вода. От камеры также идет канал к поверхности, венчающийся чашеобразной воронкой. Выход воды из резервуара к поверхности затруднен. Чтобы такой выход (извержение) начался требуется создание в резервуаре определенного давления, после достижения которого канал приоткрывается и вода с паром выходит в виде фонтана.

Долина гейзеров на Камчатке

По современным представлениям гейзерный процесс обосновывается смешением двух потоков с различным теплосодержанием (эндогенного пара и инфильтрационной воды). Извержение гейзера представляется как взрыв, происходящий в результате быстрого выделения энергии перегрева воды. По Т.И. Устиновой, это происходит в четыре стадии.

Гейзеры получили свое название от района Гейзер в Исландии, где они впервые были изучены. Источники с гейзерным режимом действия известны во многих районах современного вулканизма. Самая высокая насыщенность гейзерами в Йеллоустонском парке (США), где известно 200 гейзеров, что составляет 10% общего количества имеющихся здесь естественных гидротермальных проявлений.

Йеллоустонский национальный парк, открытка

Самым мощным гейзером на Земле считается Вайманг в Новой Зеландии: однажды в его выбросе 800 т воды было извергнуто на высоту 450 м. В Йеллоустонском парке у наиболее крупных гейзеров (Великан, Великанша, Старый Служака и др.) высота выбросов составляет от 35 до 80 м. Режим гейзеров обычно не постоянен; периодичность их извержений меняется со временем. Температура перегретого пара на поверхности, по данным С.И. Набоко, может достигать 117° С, а воды близки к точке кипения на данной высоте.

Родники представляют собой естественные выходы подземных вод на дневную поверхность. У родников различают , откуда изливается вода, , образующую иногда небольшой водоем, изливающийся дальше , дающий начало ручьям и рекам. Выступать на дневную поверхность могут грунтовые, межпластовые (напорные и ненапорные), трещинные, карстовые, надмерзлотные, межмерзлотные и подмерзлотные воды. Наибольшее количество воды дают источники, связанные с трещиноватыми и закарстованными породами. Выходы подземных вод весьма многочисленны и разнообразны.

Родники принято классифицировать по ряду признаков. По гидравлическим особенностям выделяют родники ненапорные, они питаются грунтовыми водами и напорные, выходящие на склонах. Они наблюдаются в зонах разломов и на склонах различных артезианских бассейнов и речных долин. В районах вулканической деятельности наиболее типичны родники — гейзеры, периодически выбрасывающие фонтаны горячей воды и пара с температурой до 185°С. Районов с гейзерами на Земле немного: Камчатка, Исландия, Северная Америка, Япония, Новая Зеландия.

Источники бывают холодными (с температурой воды не выше 20 ° С, теплыми (от 20 до 37 ° С) и горячими, или термальными (свыше 37 ° С). Периодически фонтанирующие горячие источники называются гейзерами. Они находятся в областях недавнего или современного вулканизма (Исландия, Камчатка, Новая Зеландия, Япония). Воды минеральных источников содержат разнообразные химические элементы и могут быть углекислыми, щелочными, соляными и т.д. Многие из них имеют лечебное значение.

Вода в недрах Земли находится в жидком, твердом и газообразном состоянии. Она или свободно циркулирует по трещинам и порам горных пород и почв, подчиняясь силе тяжести, или находится в физически и химически связанном состоянии с минеральными частицами почв, грунтов и горных пород.

Подземные воды – воды, находящиеся в толще земной коры во всех физических состояниях.

Теории и гипотезы происхождения подземных вод

Долгое время существовали две теории, отрицавшие одна другую, – это теория инфильтрации и теория конденсации. В первой утверждалось, что скопление подземной воды есть результат просачивания атмосферных осадков в почву и грунт, во второй, что источником происхождения подземных вод является водяной пар атмосферы, который вместе с воздухом попадает в холодные слои земной коры и там конденсируется.

По мнению Лебедева (1919 г.), почва и грунт обогащаются водой как за счет просачивания атмосферных осадков, так и в результате конденсации водяных паров атмосферы и паров, поднимающихся из более глубоких слоев земли. Водяной пар поступает и перемещается в порах почвы под влиянием разности упругостей его независимо от циркуляции в них воздуха.

К настоящему времени можно считать установленным, что основным видом питания подземных вод зоны активного водообмена является инфильтрация (просачивание) атмосферных осадков. Часть подземных вод образуется путем конденсации и сорбции.

Единой точки зрения по вопросу формирования запасов подземных вод в глубоких недрах земной коры в настоящее время нет. Различные взгляды отражены в трех основных гипотезах происхождения подземных вод: 1) магматическое и метаморфическое, 2) седиментационное и 3) поверхностное (атмосферное).

К водам магматического и метаморфического происхождения относятся те, которые возникают на больших глубинах из диссоциированных ионов Н и О2 или паров воды, поднимающихся из магматической или метаморфической зоны. На земную поверхность эти воды могут выходить в виде минеральных источников с высокой температурой.

К водам седиментационного происхождения относятся воды древних морей, лагун, озер, накапливающиеся в осадочных толщах в процессе осадконакопления на дне водоемов. Воды эти, погребенные последующими отложениями, сохраняются в глубоких закрытых пластах в течение длительного геологического времени.

Классификация подземных вод по условиям их происхождения

В соответствии с изложенными выше теориями и гипотезами подземные воды подразделяются на следующие группы:

1. Вадозные воды, подразделяющиеся на инфильтрационные – воды, просачивающиеся сквозь зернистые породы; инфлюационные – воды, втекающие с поверхности по трещинам и пустотам горных пород; конденсационные – воды, образующиеся из парообразной влаги воздуха, заключенного в подземных порах, трещинах и других пустотах. Вадозные воды – поверхностного (атмосферного) происхождения, представляют в процессе их подземного стока одно из звеньев общего круговорота воды.

2. Ювенильные – воды магматического и метаморфического происхождения.

Виды воды в порах горных пород и почв

Водно-физические свойства горных пород и почв

Условия залегания подземной воды, ее запасы и качество в значительной степени определяются водно-физическими свойствами горных пород.

Одними из главных свойств породы, определяющими ее отношение к воде, являются пористость и скважность. Под пористостью понимают наличие в породах малых пустот – капиллярных пор, под скважностью – наличие в породах более крупных, некапиллярных промежутков – скважин различного происхождения и формы. Иногда совокупность всех пустот объединяют в понятие общей пористости.

Величина пористости р определяется отношением объема vпор к объему породы в сухом состоянии V. Она выражается в процентах в виде р = vпор/V*100% или в долях единицы.

Пористость колеблется в широких пределах – от долей процента (плотные породы, как, например, гранит, мрамор) до нескольких десятков процентов (зернистые породы и почвы).

Пористость рыхлых осадочных пород зависит от размера частиц, их формы, степени отсортированности и характера расположения.

Пористость более или менее однородных песков при диаметре зерен около 1 мм составляет 30-35%, галечников с песком 15-20%. С увеличением глинистости породы пористость ее увеличивается. Пористость глины 40-45% и более. Пористость песка меньше, чем суглинка, и значительно меньше, чем глины.

Пористость почв, главным образом суглинистых и глинистых, в значительной степени зависит от их структуры: структурных почв больше, чем бесструктурных.

Пористость почв и пород определяет важные водные свойства: водопроницаемость, водоотдачу и водоудерживающую способность. Последнее свойство характеризуется влагоемкостью, т. е. тем количеством воды, которое удерживается в почвах и горных породах при определенных условиях. Она выражается (в %) отношением веса или объема воды, содержащейся в породах, соответственно или к весу сухой породы, или к ее объему. В зависимости от степени насыщенности почв и пород водой и тех сил (капиллярных, адсорбционных), которые удерживают в них воду, влагоемкость подразделяется на несколько категорий. Наиболее часто употребляются следующие понятия:

– полная влагоемкость (ПВ), характеризуется наибольшим количеством влаги, которое может вмещать порода при полном заполнении всех пор;

– капиллярная влагоемкость (KB) – наибольшее количество капиллярно-подпертой влаги, которое может содержаться в породе. Это вели-чина переменная, зависящая от высоты слоя, для которого она определяется, над уровнем свободной воды;

– наименьшая влагоемкость (НВ) – характеризуется количеством влаги, которое почва или грунт способны удержать в подвешенном состоянии силами капиллярного и адсорбционного действия;

Горные породы подразделяются на сильновлагоемкие, слабовлагоемкие и невлагоемкие. К сильновлагоемким породам относятся торф, глина, суглинки; к слабовлагоемким породам – мергели, мел, рыхлые песчаники, глинистые мелкие пески, лёсс; к невлагоемким – крупнообломочные породы: галька, гравий, песок и массивные изверженные и осадочные породы.

Содержание воды в почвах и породах в весовых или объемных единицах на какой-либо момент времени называется естественной влажностью. Обычно естественную влажность выражают отношением (в %) веса воды к весу минеральной части породы:

Водоотдача – способность породы, насыщенной водой, отдавать путем свободного стекания то или иное количество воды. Характеризуется коэффициентом водоотдачи, т. е. отношением объема стекающей из насыщенной породы воды к объему всей породы, и выражается либо в долях от единицы, либо в процентах.

Водопроницаемость – способность породы пропускать через себя воду. Водопроницаемость и водоотдача зависят от пористости, от размера и формы пор породы. Чем больше диаметр пор, тем лучшей водопроницаемостью и большей водоотдачей обладают породы.

Водопроницаемость почв, помимо их природных свойств, зависит также от степени их окультуренности. Водопроницаемость почв не остается постоянной: сухая почва обладает большей водопроницаемостью, при насыщении почвы водой происходит набухание почвенных коллоидов, что приводит к сужению почвенных пор, разрушению структурных отдельностей и как следствие к уменьшению водопроницаемости.

По степени водопроницаемости породы подразделяются на две основные группы: водопроницаемые и водонепроницаемые, или водоупорные. К водопроницаемым относятся грубозернистые или грубообломочные породы (галечник, гравий, песок) и массивные трещиноватые породы (мрамор, гранит, известняк).

Водоупорными называются такие породы, которые практически через себя воду не пропускают или пропускают очень медленно. Это плотные массивные монолитные породы (мрамор, гранит, базальт) или осадочные мелкозернистые породы (глины, глинистые сланцы). Их водопроницаемость в естественных условиях настолько мала, что ею можно пренебречь, а коэффициент водоотдачи близок к нулю. Большая группа пород относится к полупроницаемым породам.

При изучении водных свойств зернистых пород и почв необходимо иметь представление о размере зерен. С этой целью производят механический, или так называемый гранулометрический, анализ пород. Сущность этого анализа заключается в разделении образца породы на порции (фракции определенных диаметров зерен) и в перечислении фракций в процентные отношения к весу всего образца.

Поле сил в порах

Перемещение воды в природе осуществляется, как известно, под влиянием той или иной силы или равнодействующей группы сил. В почве и породах, как и всюду, вода прежде всего испытывает на себе действие силы тяжести, которая заставляет ее просачиваться вглубь. Между молекулами воды и молекулами и ионами частиц породы существуют силы молекулярного взаимодействия. Они вызывают явления сорбции (поглощения влаги частицами породы). Сорбционные силы способствуют удержанию воды на поверхности частиц породы. Силы эти велики, но радиус действия их крайне ограничен.

В местах скопления воды в капиллярных порах вследствие влияния поверхностного натяжения проявляются капиллярные силы, под влиянием которых вода или поднимается к поверхности, или перемещается вниз. Некоторое значение в передвижении влаги в почве и породе имеют осмотические силы, вызывающие диффузию. Это явление наблюдается в местах соприкосновения растворов разной концентрации.

В почве, покрытой растительностью, создается еще одна сила, величина которой может достигать больших значений, – это сосущая сила корневых систем растений (десукция). Под ее влиянием влага выводится из почвы через растения обратно в атмосферу.

Таким образом, природа сил, воздействующих на воду, находящуюся в порах породы, и величины их различны. Постоянно действует сила тяжести. Все остальные силы сочетаются с ней и изменяются в широких пределах в зависимости от количества содержащейся в порах воды. По мере увеличения влажности породы прежде всего ослабевает действие сорбционных сил. Уменьшаясь, сорбционные силы становятся соизмеримыми с капиллярными силами и с силой тяжести. Сочетание этих сил вызывает движение воды, направление и скорость которого непостоянны.

Виды воды в порах

Всю влагу в порах породы можно разделить на ряд категорий – видов, для которых в данный момент характерно передвижение под преобладающим влиянием той или иной силы или сочетания сил. Категории эти несколько условны, так как разграничить их вполне четко невозможно.

А. Ф. Лебедев выделил в почве и грунтах следующие категории воды: вода в виде пара, гигроскопическая, пленочная, гравитационная, вода в твердом состоянии, кристаллизационная и химически связанная.

Кристаллизационная вода – является составной частью многих минералов, например гипса (CaSO4*2H2O), и удаляется из породы нагреванием до 100-200°С или химическим путем.

Парообразная вода – находится в порах и пустотах пород и перемещается, как уже указывалось, главным образом под влиянием разности упругостей пара из областей с большей упругостью в области с меньшей.

Гигроскопическая вода – это вода, адсорбированная частицами породы из воздуха. Гигроскопическая вода прочно связана с частицами минерального грунта. Диполи ее строго ориентированы к поверхности минеральных частиц. Количество слоев молекул адсорбированной воды при макси-мальной гигроскопичности варьирует в широких пределах.

Гигроскопичность увеличивается с увеличением суммарной поверхности частиц породы в единице объема, вот почему она в мелкозернистых грунтах больше, чем в крупнозернистых.

Гигроскопическая вода перемещается из одних слоев в другие путем перехода в парообразное состояние. Она может быть отделена от породы только нагреванием.

Пленочная вода – обволакивает частицы породы сверх максимальной гигроскопичности. Эта вода адсорбируется из жидкой фазы. Она менее прочно связана с минеральными частицами и относится к категории рыхлосвязанной. Растениями усваивается с трудом. Передвигается от частицы к частице под влиянием сорбционных сил.

Капиллярная вода – заполняет сравнительно мелкие поры породы. Она удерживается и передвигается в почво-грунтах под влиянием капиллярных (менисковых) сил из зоны большего увлажнения в зону меньшего увлажнения.

Различают капиллярную воду подпертую и подвешенную. В первом случае капилляры в нижней части соприкасаются с подземной водой. Во втором случае капиллярная вода находится в подвешенном состоянии и отделена от оформленного водоносного горизонта.

Схема различных состояний воды в почве: 1 – частицы почвы с неполной гигроскопичностью; 2 – частицы почвы с максимальной гигроскопичностью; 3, 4 – частицы почвы с пленочной водой; 5 – частицы почвы с гравитационной водой.

Гравитационная, или свободная, вода – заполняет некапиллярные пустоты породы. Под влиянием силы тяжести просачивается в породе сверху вниз в виде отдельных струй (при неполном насыщении породы) или фильтруется в толще насыщенной водой породы в направлении падения уровня подземных вод. Гравитационная вода передает гидростатический напор, под действием которого воды могут подниматься вверх, как в сообщающихся сосудах.

В твердом состоянии вода в породах встречается либо в составе мерзлых почв, либо в виде льда (пещерного, ископаемого).

Внутриклеточная вода – содержится в неполностью разложившихся остатках растений в почве. В большом количестве такая вода содержится в болотных почвах и особенно в торфах.

Различные формы воды в почвах и горных породах обычно присутствуют одновременно в многообразных сочетаниях в зависимости от степени увлажненности, поступления и расходования влаги в тех или иных слоях земной коры. Значительная масса воды в почвах и горных породах находится в связанном состоянии.