Геологическая деятельность подземных вод

• Л р т е з и а п  с к и е б а с с е  и н ы. Геологические структуры  более или менее значительных размеров, содержащие в себе напорные межпластовые воды, называют а р т с з и а н с к и м и б а с с с н п а м и. Обычно они содержат большие запасы воды, которая широко используется в городах для питьевых и технических целей. В ряде крупных городов напорные воды являются одним из основных источников водоснабжения. На территории СССР имеется несколько обширных артезианских бассейнов, приуроченных к мульдообразным или чашеобразным проги-

Рнс.  8.9.  Схематический  разрез Диепровско-Донецкого  артезианского  бассейна   (по  К.  И.  Макову):

/ — песок;   2 — глина;   3 — мел   и   мергель;   4 — глина   с   песком;   5 — кристаллические породы

бам земной коры, а также к моноклиналям, в которых водопроницаемые и водонепроницаемые слон чередуются друг с другом.

Наиболее известным  и имеющим огромное значение в  водоснабжении городов и селений центральной части европейской территории Союза являются М о с к о в с к п и артезианский б а с с е и н. Напорные воды приурочены здесь к трещиноватым, местами закарстован-ным известнякам и доломитам каменноугольного возраста. Общая мощность каменноугольных отложений в центральной части Московской впадкны достигает 150—320 м, а к северо-восточной части — 400 м. Напорные воды приурочены здесь к отложениям всех трех отделов — нижпекаменноуголыюму, средпекаменпоуголыюму и верхнекаменноугольному — и образуют несколько водоносных комплексов, изолированных друг от друга глинистыми слоями. Напорные воды этих горизонтов отличаются хорошими качествами и широко используются в ряде мест и в самой Москве для питьевого и промышленного водоснабжения. Области питания этих водоносных горизонтов располагаются на западе, юго-западе, юге и востоке артезианского бассейна.

В более глубоких слоях  девонских отложений Московского  артезианского бассейна также есть напорные воды, но они отличаются большой минерализацией (содержат много растворенных солей) и для питьевого водоснабжения мало пригодны. .

Другим примером является артезианский бассейн, приуроченный к  Днепровско-Донецкой (или Северо-Украинской) мульде, представляю-

щей собой впадину, вытянутую  в западно-северо-западном направлении  и заполненную породами юрской, меловой  и палеогеновой систем (рис. 8.9). В  центральной части впадины наблюдается  несколько напорных водоносных горизонтов, приуроченных к юрским пескам, к альб-сеноманским пескам, к мергелы-ю-меловой толще верхнего мела, и два водоносных горизонта в песках палеогена. Область питания бассейна располагается па приподнятых северной и северо-восточной окраинах его, а область разгрузки — в долине Днепра. Исключительно благоприятные условия питания н движения подземных вод этого бассейна обусловливают большие ресурсы их и хорошее качество. Они используются для водоснабжения многих населенных пунктов, в числе которых находятся такие крупные города Украины, как Киев, Харьков, Полтава.

 

ИСТОЧНИКИ

 

V Естественный выход подземных вод на поверхность называется источником (ключ, родник). Источники чаще всего приурочены к долинам рек, балок, оврагов, прорезающих водоносные горизонты, и к берегам морей. Условия естественных выходов подземных вод различны и зависят от состава водовмещающих пород (пористые или трещиноватые), от степени обнаженности склона реки .или оврага, от условий залегания горных пород и других факторов. Вода может спокойно стекать в виде отдельных струп на контакте с водоупорным слоем, иногда па достаточно широкой площади (чаще всего в пористых породах). В отдельных местах она вытекает в виде одной достаточно мощной струи (в пористых и особенно в трещиноватых породах) и, наконец, местами выходит в виде бьющей вверх сильной струи. Иногда подобные источники выходят на дне морей. Такие источники называются с у б -м а р и н и ы м и (лат. marinus — морской).

Если склоны долины реки или оврага покрыты слоем делювиальных суглинков, то последние препятствуют сосредоточенным выходам источников и вода прокладывает себе путь под суглинком. В случае небольшой мощности покровного слоя грунтовая вода постепенно смачивает его. В результате но склону наблюдается сильное увлажнение на значительном протяжении и часто происходит заболачивание.

Источники, питаемые верховодкой  и грунтовыми водами, называют и  исходя щ и м н, а источники, питаемые напорными водами, — восходящими. Наибольшим колебаниям подвержены нисходящие источники, питаемые верховодкой, которые временами совсем исчезают. Нисходящие источники грунтовых вод более постоянны, хотя их дебиг и качество также подвержены изменениям в зависимости от гидрометеорологических условий, изменяющихся по сезонам года.

По водообилыюсти источники характеризуются большим разнообразием, что связано с условиями питания, а также со степенью водопроницаемости водовмещающих пород; наибольшей водообильностью отличаются источники, выходящие из слоев крупнозернистых песков, галечников и сильно трещиноватых закарстовапных известняков. Карстовые источники, вытекающие из пещер и других карстовых каналов, бывают местами настолько мощны, что могут дать начало ручьям и даже рекам. Такие источники развиты на Крымской яйле, на Кавказе, в Ленинградской области н некоторых других местах нашей страны.

Восходящие источники  представляют собой естественные выходы напорных вод. Они характеризуются  более или менее постоянным режимом, т. е. постоянным напором, дебитом, химическим составом, температурой. Выходы их приурочены к областям разгрузки артезианских б-ассейнов и часто связаны с зонами тектонических разрывов.

Изучение источников подземных вод и их режима (изменение  дебита и качества во времени) имеет огромное значение, так как позволяет судить о балансе подземных вод на том или ином участке. Баланс подземных вод обусловливается притоком (питанием) и расходом воды. Приток осуществляется путем: 1) инфильтрации атмосферных осадков; 2) конденсации паров и просачивания конденсационной воды в глубину; 3) просачиванля воды рек и поверхностных водоемов; 4) поступления седиментацлонных вод в глубокие артезианские водоносные горизонты.

Расход выражается: 1) в выходе источников подземных вод  па поверхность земли; 2) в подземном питании открытых водоемов рек; 3) в испарении поднимающейся по капиллярам воды; 4) в испарении через транспиранию ' растениями; 5) в искусственном извлечении воды человеком.

При определении баланса  подземных под все указанные, элементы притока и расхода должны быть учтены.

6. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

 

Природные воды характеризуются  большой растворяющей способностью. Даже дождевая вода не является идеально чистой, так как она из облаков до поверхности Земли поглощает взвешенную в воздухе пыль и газы воздуха и выпадает до некоторой степени уже минерализованной. Тем более это относится к подземным водам. Протекая по разнообразным горным породам, они взаимодействуют с окружающей средой и изменяют свои свойства и состав. Происходит процесс выщелачивания некоторых горных пород или включений в них и обогащение минеральными солями подземных вод. Кроме того, формирование химического состава подземных вод связано с условиями их происхождения (морские, имфильтрацнонные, ювенильпые и т. д.) и последующими процессами, их изменяющими.

По количеству растворенных веществ природные воды разнообразны и изменяются: от ультрапресных вод (с содержанием в растворе различных элементов в долях процента) до рассолов с полной насыщенностью. Общее содержание растворенных в подземных водах веществ принято называть обще и м и н е р а л и з а ц и е и воды и выражать в г/л или в мг/л.

В. И. Вернадский подразделял  все природные воды с точки  зрения общей минерализации на четыре больших класса:

'.  Пресные, с общей минерализацией до 1 г/л.

2.  Солоноватые, с общей минерализацией от  I  до  10 г/л.

3.  Соленые, с общей минерализацией от 10 до 50 г/л.

4.  Рассолы (очень сильно минерализованные воды), с обшей минерализацией свыше ' 50,/г/уТ' (300-iV более г'л).    Максимальная    вели-чина минерализации, достигающая 500—600 г/л, встречена в последнее время в Иркутском бассейне^

1 Транспирация — физиологический   процесс  испарения   воды   живыми   растениями.

Приведенная классификация  указывает на значительные изменения  в минерализации воды — от десятков миллиграммов до сотен граммов на 1 литр воды. В последующем А. М. Овчинниковым и другими исследователями дано более дробное подразделение подземных вод по их минерализации (табл. 8.1). Для питьевых целей наилучшими водами являются пресные, с минерализацией до 1 г/л; при необходимости можно употреблять и слабо-солоноватые воды с общей минерализацией до 2—3 г/л. Воды с большей минерализацией для водоснабжения практически непригодны.

Таблица ^8.1

Общая минерализация  и химический состав подземных вод (по А. М. Овчинникову)

Характеристика вод	Общая минерализация, г/л	Химический состав		По В. И. Вернадскому
Ультрапресные	<0,2      1	Обычно    гидрокарбонат-
Пресные	0,2-0,5 /	ные	,	Пресные
Воды с относительно   повы-	! Гидрокарбонатно-суль-
шенной минерализацией	0,5—1          :      фатные                              ,
Солоноватые Соленые	1-3 3—10	Сульфатно-хлоридные       1		Солоноватые
Воды повышенной   солености	10 — 35        ! Преимущественно    хло-    )
	ридные			Соленые
Воды, переходные к рассолам	35 — 50        i Хлоридиые
Рассолы	50--400 (500) !			Рассолы

В подземных водах  содержатся различные химические элементы, но подавляющее большинство их —  в ничтожных количествах. Наиболее распространены ионы С1~, SO42"", НС03", Na+, Ca2+, Mg2+, иногда в заметных количествах NH4+, K+, Fe2+ и Мп2+, ц из газов СО2, О2, реже H2S, N?.

Различные сочетания  первых основных шести элементов и определяют основные свойства подземной воды (рис. 8.10) — щелочность, соленость н жесткость.

Так, например, при значительной концентрации иопоз Na1 и С1~ вода приобретает соленый вкус, а при большом содержании ионов Na+ и НС03~ приобретает щелочные свойства.

Классификация подземных  вод по химическому составу в  большинстве случаев производится по преобладающим анионам и катионам. Так, выделяются следующие наиболее распространенные классы: 1) гидро карбонатные воды (HCO;j-> >25 ?ке-%); 2) сульфатные воды (SC)f >25 з/св-%); 3) х л о-р и д п ы с ii о д ы (С 1 ->25 экв- % ); '1) воды сложного состава — хлоридно-гидрокарбонатные, сульфатно-гидрокарбонатные, хлоридпо-" сульфатные и другие еще более сложного состава. „.По соотношению

Рис.   8.10.    Сочетания    различных элементов,   обусловливающих    основные   свойства   воды

с катионами каждмй из них может бить патриеным, или кальциевым, нлп магниевым, или смешанным — кальциевомагнневым, натриево-кальцпевым и др. Это хороню выражено в классификации, предложенной С. А. Щукаревым и в последующем видоизмененной П. Н. Славя-ЙОБЫМ (табл. 8.2).

Т а б л и ц а   8.2

Классификация подземных  вод по химическому составу

-~-^             Катионы                       i ~"--^                        Са~+  JC Анионы               ~~~~~-- — -^^                1	I a2+, Ms2"1"     M«2+ | Na+, Ca2+	Na+-, Ca'2+. MKa +	Ma4-, MK2+	Na4
i НСОГ                                      1	23             4	b	6	7
HCOj-,  S0~~                         8	9        j    10            11	,2	13	14
НС07. S0;~, С Г"             15	16             17            18	19	20	21
НС03-,С1-                            22    :	23            !M    !       25	26	27	28
30=-                                   |    29    I	30        i    3!            32	33	\*A	35
soj-,a~                   36  .	37        i    38            39	40	'	42
Ci"                                     i    43    i	44        \    45    i       46	47	48	49
!             i	i            j

Каждый анион или  группа анионов (указанных по вертикали) может образовывать с отдельными катионами или группой катионов (указанных по горизонтали) различные сочетания. Цифрами в таблице обозначены типы вод, соответствующие различным сочетаниям анионов и катионов. Например: к 1-му типу будут относиться гидрокарбонатно-кальциевые воды, ко 2-му — гидрокарбонатно-кальциево-магниевые, к 8-му — гидрокарбонатно-сульфатно-кальциевые, к 49-му — хлоридно-натриевые.

Как видно из табл. 8.2, отчетливо проявляется закономерность изменения химического состава вод с увеличением их минерализации от гидрокарбонатных к хлоридным.

В ряде артезианских бассейнов  наблюдается хорошо выраженная вертикальная зональность. В верхних водоносных горизонтах развиты гидрокарбонатные воды, ниже смешанные и далее сульфатные, а еще ниже высокоминерализованные хлоридные. Существуют и другие классификации подземных вод (Алекин, 1970), в которых учитывается не только деление по преобладающим анионам и катионам, но и соотношение между ними.

7. МИНЕРАЛЬНЫЕ ВОДЫ

 

* Обычно минеральными водами называют такие воды, которые используются для лечебных целей и обладают определенными физико-химическими свойствами, оказывающими особое физиологическое воздействие на организм человека. Целебные свойства этих вод обусловливаются общей минерализацией, газовым составом и наличием в них специфических различных компонентов: железа, мышьяка, радия, брома, иода, углекислоты, радона и т. п., относительно редко встречающихся в обычных подземных водах. Кроме того, для многих минеральных источников характерна повышенная температура, необычная для подземных вод поверхностной зоны.