Строение подземной гидросферы

 

Понятие «зоны аэрации» было введено американским гидрогеологом  О. Мейнцером (1933г.) и представляет собой  верхнюю не полностью насыщенную (ненасыщенную) водой часть разреза  горных пород, мощность которой изменяется от первых сантиметров (метров) на равнинных  участках территории до 200-250 м и более  на интенсивно расчлененных междуречных  пространствах горных районов. Верхней  границей зоны аэрации является поверхность  земли, нижней – уровень подземных  вод первого водоносного горизонта.

 

 

 

Рис. 2 Схема залегания  типов подземных вод зоны аэрации:

 

1 – породы зоны аэрации, 2 – грунтового водоносного горизонта,

 

3 – слабопроницаемые породы, 4 – почвенный слой,

 

5 – уровень грунтовых  вод и капиллярная кайма, 6 –  верховодка

 

 

По М.П. Толстому определение  зоны аэрации можно сформулировать так – это поверхностный пояс в разрезе земной коры, находящий  на стыке атмо-, гидро- и литосфер, лежащий выше постоянного уровня подземных вод.

 

В пределах акватории Мирового океана, а на континентах и островах под руслами рек и внутренних водоемов в том случае, если подземные  воды первого водоносного горизонта  имеют непосредственную гидравлическаю связь с поверхностными водами, зона аэрации (неполного насыщения) отсутствует [2, 4, 6].

 

1.3 Криолитозона

 

Территория, на которой распространены многолетнемерзлые породы, называется криолитозона ( от греч. «криос» −  холод, «литос» − камень, порода). Криолитозона состоит из мерзлых, морозных и охлажденных пород.

 

1) мерзлые породы содержат  в своем составе лед,

 

2) морозные − породы  с t < 0 ºС, в которых отсутствуют  лед и вода ( это чаще магматические  и метаморфические породы и  их разновидности),

 

3) охлажденные породы имеют  t ниже 0 ºС и насыщены солеными  водами.

 

Данная зона выделяется как  самостоятельный элемент подземной  гидросферы в области распространения  многолетнемерзлых пород (высокие  широты Северного и Южного полушария, высокогорные районы). В зависимости  от строения гидрогеологического разреза  земной коры она обычно охватывает часть зоны аэрации и верхнюю  часть зоны полного насыщения [5, 6, 7].

 

 

 

Рис. 3 Схема залегания  различных по отношению к многолетнемерзлым  породам типов подземных вод:

 

А – надмерзлотные воды сезонно-талого слоя; Б – воды сквозного  дождевально-радиационного талика; В – надмерзлотные воды подозерного  несквозного талика; Г – воды сквозного подруслового талика; Е  – межмерзлотные воды; Ж –  подмерзлотные воды неконтактирующие безнапорные; З – подмерзлотные  воды неконтактирующие напорные; И  – подмерзлотные воды контактирующие напорные; К – надмерзлотные воды несквозного дождевально-радиационного  талика; 1 – изверженные трещиноватые породы; 2 – щебень и дресва; 3 –  суглинки; 4 – пески, галечники; 5 –  многолетнемерзлые породы и их граница; 6 – обводненность пород состояния (а), периодическая (б); 7 – направление движения подземных вод; 8 – подошва сезонно-талого слоя (б) и сезонно-мерзлого слоя (а); 9 – скважины, стрелкой показана глубина появления и установившийся уровень подземных вод

 

Мощность криолитозоны в  зависимости от климатических условий  местности (главным образом среднегодовые  температуры воздуха), геологического строения и геотемпературных условий  верхней части разреза земной коры изменяется от первых метров до 1000 – 1500 м и более (Романовский, 1983; Ершов, 2002; и др.).

 

В условиях криолитозоны основная масса подземных вод находится  в твердом состоянии (лед, газовые  гидраты), а также в виде физически  связанной воды, промерзание которой  происходит при температурах ниже 0°С.

 

Свободная гравитационная вода в пределах криолитозоны может быть связана только с участками распространения  горных пород, находящихся в талом  состоянии, или в тех случаях, когда вода в связи с повышенной минерализацией не замерзает при  отрицательных температурах [1, 3, 5].

 

 

1.4 Зона полного насыщения

 

Эта зона охватывает верхнюю  часть разреза земной коры от уровня первого водоносного горизонта (нижняя граница зоны аэрации) до глубин 8-20 км, на которых по существующим представлениям температура и давление водных растворов  достигают критических значений.

 

В пределах зоны полного насыщения (в соответствии с ее названием) свободное  пространство в минеральном скелете  горных пород (поры, трещины, крупные  пустоты) полностью заполнено свободной  гравитационной водой и водой, физически  связанной с поверхностью минеральных  частиц горной породы, за исключением  участков, свободное пространство которых  заполнено газом, жидкими углеводородами или пароводяной смесью [1, 3, 4].

 

Положение нижней границы  зоны полного насыщения обосновывается в настоящее время только исходя из представлений о термодинамических  условиях разреза земной коры и фазово-агрегатном состоянии воды при высоких давлениях  и температурах, поскольку эта  граница пока не вскрыта буровыми скважинами.

 

Материалы Кольской сверхглубокой  скважины свидетельствуют о том, что на глубинах до 12 км существуют условия, характерные для зоны полного  насыщения. В то же время в связи  с наличием представлений о надкритическом состоянии воды в магматических  расплавах можно предполагать, что  в областях современного вулканизма нижняя граница зоны полного насыщения  может располагаться на значительно  меньших глубинах (Пиннекер, 1983).

 

По имеющимся данным в  ряде районов современного вулканизма парогидротермы с температурами, близкими к критическим значениям (до 300°С и более), вскрыты буровыми скважинами на глубинах 1500-2000 м (Мексика, Сьерра-Прието, скважина глубиной 1500 м, температура  воды 388°С).

 

 

1.5 Зона подземных вод  в надкритическом состоянии

 

 

Нижняя часть разреза  земной коры до границы с верхней  мантией рассматривается в настоящее  время как зона, содержащая подземные  воды в надкритическом состоянии. Мощность этой зоны в пределах континентов  достигает, вероятно, 20-30 км и более (Всеволожский, 2007).

 

Водой в надкритическом состоянии  называются подземные воды с температурой и давлением выше критических. Для  чистой воды критическая температура  равна 374°С, давление − 2,2∙104 кПа.

 

При высоких концентрациях  растворенных веществ (подземные растворы) критическая температура возрастает до 450°С. давление − до 3,5∙104 кПа. При  этих условиях вода характеризуется  пониженными значениями вязкости, уменьшением  величины рН, повышенной электропроводностью. В связи с этим вода в надкритическом состоянии приобретает свойства активного растворителя и при  наличии повышенных концентраций металлов может являться одним из факторов гидротермального рудообразования (Крайнов, 2004).

 

По существующим представлениям вода в надкритическом состоянии  представляет собой газово-жидкий раствор (флюид), образование которого связано  с кристаллизацией магм и с  процессами термо- и динамометаморфизма.

 

При снижении давления «надкритическая» вода переходит в «нормальную» жидкость и пар (пароводяную смесь), что  по существующим представлениям сопровождается увеличением ее объема в 1,5−2,0 раза (Всеволожский, 1980).

 

Движение подземных вод  в земной коре является составной  частью общего круговорота воды на планете. В то же время с геологических  позиций движение воды в земных недрах, включающее простые (механическая, физическая, химическая) и сложные формы движения (биологическая, техногенная), переходы воды из одного фазово-агрегатного  состояния в другое и процессы взаимодействия воды с горными породами, рассматривается в настоящее  время в качестве важнейшей составляющей геологической формы движения материи [1, 3, 4].

 

В качестве основных видов  единой геологической формы движения материи применительно к движению собственно подземных вод обычно рассматриваются два основных вида круговорота воды в земной коре −  гидрогеологический и геологический (рис. 4).

 

 

 

Рис. 4 Взаимосвязь гидрогеологического  и геологического круговоротов воды в земных недрах (по Е.В. Пиннекеру, 1980)

 

2. Геологическая деятельность  подземных вод

 

2.1 Разрушительная деятельность

 

 

В противоположность водам  поверхностным подземные воды очень  активны в гидрохимическом отношении, т.е. являются сильными растворителями различных горных пород и минералов. Одновременно с процессами разрушения огромных толщ пород, возникновением пустот, миграцией и выносом солей  происходит и созидательный процесс  – образование новых минеральных  агрегатов; из-за испарения водных растворов  возникает засоление почв, в областях, избыточно увлажненных, происходит заболачивание – возникают торфяники (Толстой, 1976).

 

В результате разрушения и  растворения пород образуются карстовые  формы, просадки, иногда оползни. Из новообразований  следует отметить возникновение  различных натечных форм сталактитов, сталагмитов, отложение хемогенных осадков, известкового туфа, гажи, травертина, гейзерита, образование грязевых вулканов и т.д.

 

Выщелачивание подземными водами легкорастворимых пород (карбонаты, гипс, соли) с образованием на глубине  пустот, а на поверхности воронок  называется карстом. Наименование этого  своеобразного явления произошло  от названия известнякового плато в  Югославии – Карст.

 

Для развития карста необходимы следующие условия:

 

1)наличие значительной  толщи легкорастворимых трещиноватых  пород без прослоев глин;

 

2) выщелачиваемый массив  должен быть достаточно высоким,  его поверхность горизонтальна,  чтобы вода могла бы застаиваться  и просачиваться внутрь по  трещинам;

 

3) уровень подземных вод  должен быть глубоким, чтобы воды  имели достаточно пространства  для вертикального движения

 

Карст характеризуется своеобразными  формами рельефа – воронками, колодцами, пещерами. Например, блюдцеобразные воронки широко распространены в  Татарстане, принося большой вред сельскому хозяйству. Пещер много  в Горном Крыму, на Кавказе, в Приуралье (Кунгурская пещера), в Венгрии, во Франции.

 

Оползнями называют смещение земляных масс под влиянием сил тяжести  без нарушения связности пород  и движение их по склону. Поверхностные  смещения пород с нарушением структуры  и текстуры называют оплывами. Главными причинами образования оползней являются:

 

1) подмыв берега рекой  или морем (боковая эрозия);

 

2) большое количество атмосферных  осадков;

 

3) механический вынос мелких  частиц подземными и поверхностными  водами (механическая суффозия);

 

4) изменение влажности  глинистых пород на склоне;

 

5) тектоническая трещиноватость;

 

6) процессы выветривания;

 

7) землетрясения;

 

8) деятельность человека

 

Оползневые процессы изучаются  специальными оползневыми станциями, расположенными в районах, подверженных оползням.

 

Вследствие подъема и  испарения грунтовых вод в  поверхностных отложениях возникают  различные новообразования (кальцит, гипс) и происходит засоление почв. Засоление почв широко развито в  областях с сухим климатом, слабым оттоком грунтовых вод, где проводится орошаемое земледелие.

 

Широко распространен  в природе процесс, связанный  с изменением водного режима почв из-за застаивания почвенных или  поднятия грунтовых вод – заболачивание.

 

Происходит оно в районах  избыточно влажных, с большим  количеством атмосферных осадков, со слабым поверхностным стоком и  близким залеганием к поверхности  водоупорных слоев. Для борьбы с  заболачиванием производятся сброс  поверхностных вод и различные  дренажные работы [2, 5, 8].

 

2.2 Созидательная деятельность

 

 

В местах выхода подземных  вод, богатых углекислотой, часто  образуются новообразования в виде отложений известкового туфа СаСО3.

 

Например, при обследовании в Республике Татарстан свыше 3600 родников оказалось, что в 75 из них  происходит отложение известкового туфа. Воды, в которых происходит выпадение карбоната кальция, имеют плотный остаток от 250 до 484 мг/г, сильно насыщены CaCO3, температура их 5,5–6,0 °С. Расход незначителен до 10 л/с [2, 4].

 

Все родники, откладывающие  известковый туф, располагаются  там на высоте 2 м от основания  коренного склона и приурочены к  пермским отложениям. Углекислота находится  в равновесии с Ca(HCO3)2 и Mg(HCO3)2. Очевидно, что нарушение устойчивости Ca(HCO3)2 происходит лишь в условиях выделения  углекислого газа. Выделение же возможно в условиях усиленного испарения, а  для последнего необходим некоторый  перепад воды для возникновения  вихревого (турбулентного) движения, что  и наблюдается в местах выхода подземных вод вследствие нарушения  устойчивости Ca(HCO3)2:

 

Ca(HCO3)2 → CaCO3 + H2O + CO2

 

Осадок Испарение и  поглощение

 

растениями

 

На потолке и дне  карстовых пещер нередко образуются сталактиты и сталагмиты – своеобразные натечные образования в виде колонн. Широко распространены они в различных  пещерах стран СНГ, Франции, США [3, 7].

 

3. Условия формирования  и залегания подземных вод  каждой зоне

 

3.1 Учение о происхождении  подземных вод

 

 

Первые попытки объяснить  происхождение подземных вод  были предприняты древнегреческими философами Платоном и Аристотелем. Платон (427-347 гг. до н.э.) предполагал  образование их за счет морских соленых  вод. При движении соленой воды в  породах морская вода освобождается  якобы от солей и в виде родников выходит на поверхность уже пресной. Аристотель (384-322гг. до н.э.) считал, что  подземные воды образуются в результате сгущения холодного воздуха в  пустотах горных пород [2, 5].

 

Римлянин Марк Витрувий Полий (1в. до н.э.) предполагал образование  подземных вод за счет поглощения дождевых и снеговых вод. Не так давно  стало известно о труде персидского  ученого Каради (ум. в 1016 г.) — «Поиски скрытых под землей вод», где он изложил учение о подземных водах, которое вполне соответствует современным научным представлениям.

 

Впоследствии высказывались  в основном представления о происхождении  подземных вод либо за счет сгущения водяных паров на больших глубинах (Агрикола – XVI в.), либо за счет проникновения  жидких поверхностных вод (инфильтрации) вглубь (М.В. Ломоносов).