учебники / Короновский Н.В. «Общая геология» 3-ие издание
.pdf
Рис. 7.4. Влагоемкость и водоотдача. 1 — полная влагоемкость, все поры заполнены водой; 2 — водоотдача, гравитационная вода стекла; 3 — максимальная молекулярная влагоемкость: вода удерживается силами молекулярного сцепления. Разница между объемами воды в 1 и 3 называется водоотдачей
Рис. 7.5. Движение грунтовых вод в зависимости от уровня вод и давления. 1. Точки А и Б имеют одинаковое давление, но А выше Б и вода движется от А к Б (толстая стрелка). 2. Точка В имеет более высокое давление, чем точка Г, и вода движется от В к Г. 3. Точка Д имеет большее давление, чем точка Е, вода движется от Д к Е.
e — уровень грунтовых вод
192 |
Часть II. Процессы внешней динамики |
пределах водоносного горизонта. Грунтовые воды могут быть связаны с любыми породами: как рыхлыми, так и твердыми, но трещиноватыми.
Поверхность грунтовых вод называется зеркалом, а мощность водосодержащего слоя оценивается вертикалью от зеркала до кровли водоупорного горизонта, и она не остается постоянной, а меняется из-за неровностей рельефа, положения уровня разгрузки, количества атмосферных осадков, изгиба кровли водоупорного слоя. Выше зеркала грунтовых вод образуется кайма капиллярно-подтянутой воды (рис. 7.3).
7.2. ДВИЖЕНИЕ И РЕЖИМ ГРУНТОВЫХ ВОД
Зеркало грунтовых вод ведет себя в зависимости от рельефа, повышаясь на водоразделах и понижаясь к рекам, оврагам и другим местам дренирования. Естественно, вода в водоносном слое под действием силы тяжести находится в непрерывном движении и стремится достичь наиболее низкого места в рельефе, например уреза воды в реке, тальвега дна оврага. Именно там, в области разгрузки подземных вод, образуются родники. Вода в водоносном слое перемещается в зависимости от пористости пород, характера соприкосновения частиц, формы и размеров пор, уклона водоносного слоя. Обычно в песках скорость движения воды при небольших уклонах составляет от 0,5 до 2–3 м/сутки. Но если уклон большой и поры велики, то скорость может достигать нескольких десятков метров в сутки (рис. 7.5).
Рис. 7.6. Образование депрессионной воронки в уровне грунтовых вод при усиленном отборе воды из скважины. 1 — водоносный горизонт; 2 — уровень воды в скважине; 3 — депрессионная воронка; 4 — новый уровень грунтовых вод;
5 — прежний уровень грунтовых вод (до отбора)
В зависимости от количества атмосферных осадков объем грунтовых вод может изменяться, и летом дебит источников падает, а в сильные засухи родники даже пересыхают (рис. 7.7). Зеркало грунтовых вод особен-
Глава 7. Геологическая деятельность подземных вод |
193 |
но сильно может понижаться в связи с забором воды для промышленных нужд. Вокруг скважин, откачивающих воду, уровень грунтовых вод постепенно понижается, и образуется депрессионная воронка (рис. 7.6).
Межпластовые безнапорные подземные воды приурочены к водоносным слоям, располагающимся между двумя водоупорными слоями. Иногда таких водоносных пластов может быть несколько. Если водоносный горизонт обладает большой мощностью и выше его зеркала находится озеро, пруд или река, то направление течения воды в водоносном горизонте будет проходить по изогнутым линиям, стремящимся к реке.
Напорные, или артезианские, межпластовые воды образуются в том случае, если водоносный горизонт, зажатый между двумя водоупорными, приурочен или к пологой синклинали, или к мульде, или к моноклинали, или еще к каким-нибудь структурам, в которых возможно образование напорного градиента.
Рис. 7.7. Положение уровня грунтовых вод в дождливый (1)
изасушливый (2) сезоны. В сухой сезон понижается уровень реки (межень)
инекоторые колодцы пересыхают
194 |
Часть II. Процессы внешней динамики |
Рис. 7.8. Артезианские напорные воды: 1 — водоносный горизонт, 2 — водоупорный горизонт, 3 — фонтанирующая скважина, 4 — осадки, h/l — напорный градиент
Напорный, или гидравлический, градиент:
I = hl ,
где h — превышение одной точки зеркала грунтовых вод над другой, а l — расстояние между ними (рис. 7.8). Напорные воды обладают способностью самоизливаться и фонтанировать, т. к. находятся под гидростатическим давлением. Впервые такие фонтаны воды были получены во Франции в провинции Артезия, поэтому они и стали называться артезианскими. Каждый артезианский бассейн включает в себя области питания, напора и разгрузки. Первая область представляет собой выход на поверхность водоносного слоя, на которую выпадают все атмосферные осадки, питающие этот водоносный горизонт. Область напора заключена между двумя водоупорами — водоупорной кровлей и водоупорным ложем, а место, где водоносный слой появляется на поверхности или вскрывается скважинами, но ниже области питания, называется областью разгрузки. Нередко в артезианских бассейнах развито сразу несколько водоносных напорных горизонтов, что особенно характерно для артезианских бассейнов в межгорных впадинах, где глубины водоносных горизонтов могут превышать 1500 м.
В платформенных областях, где артезианские бассейны большие, верхние водоносные горизонты до глубин в 200-500 м содержат преимущественно пресные воды, а ниже воды обладают уже высокой минерализацией. В центре европейской части России находится Московский артезианский бассейн, располагающийся в пологой чашеобразной впадине — Московской синеклизе. Водоносные горизонты связаны с трещиноватыми каменноугольными и девонскими известняками, а водоупорами служат прослои глин. Области питания располагаются на крыльях синеклизы. В девонских карбонатных отложениях на глубинах от 400 до 600 м развиты минеральные воды с минерализацией 2,4 4,5 г/л.
Глава 7. Геологическая деятельность подземных вод |
195 |
Это всем известная московская минеральная вода. В Московском артезианском бассейне сосредоточены большие запасы пресных и промышленных вод. В отношении всей территории России составлены карты распространения артезианских бассейнов и подсчитаны запасы в них воды, как пресной, так и промышленной и термальной.
Типы источников. Всем хорошо известны выходы подземных вод на поверхность в виде родников и ключей с холодной вкусной водой. Родники появляются там, где происходит разгрузка водоносных горизонтов (рис. 7.9).
Нисходящие источники чаще всего располагаются недалеко от уреза воды в долине реки, в нижней части склонов оврагов, там, где к поверхности подходят водоупорные горизонты. Источники этого типа связаны как с верховодкой, так и с грунтовыми, а также межпластовыми водами. Все они характеризуются изменяющимся дебитом вплоть до высыхания в жаркое лето. В источниках нисходящего типа вода изливается спокойно ввиду небольшого угла наклона слоев. Нередко можно наблюдать вдоль берега реки сплошную линию сочащихся подземных вод. Нисходящие источники обычно водообильны, поэтому местами они дают начало ручьям и небольшим речкам, как происходит с кар-
Рис. 7.9. Различные типы источников: 1 — воды трещинного типа, 2 — нисходящий, 3 — восходящий, 4 — карстовый. Точки: редкие — пески; частые — водоносный горизонт. Черным цветом показаны источники
196 |
Часть II. Процессы внешней динамики |
стовыми источниками, вытекающими из пещер или из полостей, образовавшихся в карбонатных породах.
Восходящие источники — это выходы на поверхность в местах разгрузки напорных вод, тогда как сам водоносный горизонт расположен намного ниже. Вода может подниматься вверх по трещинам или тектоническому разлому, особенно когда он пересекает водоупорные слои.
Вокруг минеральных источников, особенно углекислых вод, на поверхности образуется скопление так называемого известкового туфа, или травертина, иногда достигающего нескольких метров мощности. Такие травертины белого, желтоватого или розового цветов известны на г. Машук в Пятигорске, в районе Кавказских Минеральных Вод. Туф образуется из гидрокарбонатно-кальциевых вод, когда гидрокарбонат Ca(HCO3)2 переходит в СаСО3 при уходе в воздух СО2 — углекислого газа. В травертинах часто находят отпечатки листьев растений, кости древних животных, которые постепенно обволакиваются известковым туфом.
7.3. ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ И ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА
Гидрогеологические процессы, происходящие в верхней части земной коры, тесно связаны с хозяйственной деятельностью человека — водоснабжением, эксплуатацией городских агломераций, обоснованием строительства и т. д. Именно в области прикладной геологии очень важно понимать существо природно-технического взаимодействия, усиливающегося техногенного пресса на геологическую среду. Мировые запасы пресной воды составляют 34 980 тыс. км3, и в России, включая поверхностные и подземные воды, 3 млн км3, причем водопотребление быстро растет.
Одними из важных задач прикладной гидрогеологии являются обоснование водозабора для хозяйственно-питьевого водоснабжения, а сейчас особенно, и оценка качества воды. Кажется невероятным, но в России в настоящее время только 1 % воды отвечает нормам, установленным для питьевой воды. Большая часть воды на земле непригодна для питья. Около 70 % пресной воды уходит на орошение, а на производство 1 кг пшеницы уходит 1 м3 воды. Многие регионы, такие как США, Северный Китай, Северная и Западная Индия, Западная Азия, Северная Африка, выкачивают подземную воду гораздо быстрее, чем восстанавливаются водоносные горизонты.
Какое количество воды можно извлечь из данного водоносного слоя? Как при этом изменится уровень грунтовых вод? Какова будет депрессионная воронка и как быстро она сформируется? Какова
Глава 7. Геологическая деятельность подземных вод |
197 |
должна быть ширина зоны санитарной охраны? На все эти вопросы надо дать ответ.
В связи с отбором воды из водоносных горизонтов разного типа изменяется водный режим ландшафтов, происходит изменение растительности, меняются поверхностный сток и напряженно-деформированное состояние водонасыщенных горных пород. Понижение уровня грунтовых вод приводит к угнетению лесов, к осушению и возгоранию летом торфяников, к уменьшению поверхностного водного стока и обмелению небольших рек, эвтрофикации мелеющих озер, оседанию отдельных участков земной поверхности. Поэтому необходим мониторинг влияния водоотбора на окружающую среду, а также геофильтрационное моделирование потока подземных вод.
Для многих городов характерно подтопление территорий, т. е. повышение уровня грунтовых вод за счет увеличения инфильтрации осадков, утечек промышленных вод, искусственного орошения. Такое подтопление вызывает усиление оползневых явлений, суффозии (вымывания), уменьшение прочностных свойств грунтов. Поэтому необходимо проводить дренаж, чтобы снизить уровень грунтовых вод.
Другая опасность — это техногенное загрязнение подземных вод из атмосферы в виде твердой и жидкой фаз, закачка промышленных стоков, утечки из систем канализации, свалки, нефтепродукты и др. Все это способствует проникновению токсичных веществ сначала в зону аэрации, а потом и в водоносные горизонты (рис. 7.10). Все сказанное выше свидетельствует об уязвимости водоснабжения населения в связи с усиливающимся техногенным загрязнением. Существует еще много очень важных вопросов, касающихся прикладной гидрогеологии. Отсюда следует очевидный вывод о том поистине жизненном значении, которое приобретает наука о подземных водах.
Рис. 7.10 Загрязнение водоносного горизонта за счет просачивания вод из района свалки: 1 — зеркало грунтовых вод, 2 — направление движения грунтовых вод, 3 — свалка, 4 — дождь, 5 — загрязнение воды
Глава 8
КАРСТОВЫЕ ПРОЦЕССЫ
Карстовые процессы развиваются в растворимых природными поверхностными и подземными водами горных породах: известняках, доломитах, гипсах, ангидритах, каменной и калийной солях. Основой являются процесс химического растворения пород и процесс выщелачивания, т. е. растворения и выноса какой-то части горных пород. Различные по своему составу воды растворяют породы по-разному. Особенно агрессивны по отношению к карбонатным породам воды, насыщенные углекислотой, а гипс сильнее растворяется солоноватыми водами.
Под карстом понимают не только процесс, но и его результат, т. е. образование специфических форм растворения. Сам термин карст происходит от названия известкового плато в Словенских Альпах, где карстовые формы рельефа выражены наиболее ярко. Карст развивается везде, где есть выходы на поверхность карбонатных пород: в Горном Крыму, на побережье Адриатического моря, на Кавказе, Урале, в Средней Азии и еще во многих местах земного шара. Если карстовые формы видны на поверхности, то говорят об открытом карсте, а если они перекрыты толщей каких-то других отложений, то о закрытом карсте. Последний чаще развит в равнинных платформенных районах, тогда как первый — в горных.
8.1. КАРСТОВЫЕ ФОРМЫ РЕЛЬЕФА
На поверхности карстовые формы представлены каррами, желобами и рвами, понорами, воронками разных типов, западинами, котловинами, слепыми долинами (рис. 8.1).
Карры — это разнообразные неглубокие выемки, образованные в основном выщелачиванием известняков поверхностными атмосферными водами. Н. А. Гвоздецким, одним из знатоков карста, были выделены карры следующих типов: лунковые, трубчатые, бороздчатые, желобковые, трещинные и ряд других (рис. 8.2 и рис. 10 на цветной вклейке). Все эти формы имеют глубину до 20 см, редко размах рельефа достигает 1–2 м. Наиболее типичны желобковые карры, представленные параллельными желобками, разделенные острыми грядами. Рель-
Глава 8. Карстовые процессы |
199 |
Рис. 8.1. Карстовые формы рельефа: 1 — карры, 2 — воронки, 3 — полье, 4 — колодцы, 5 — шахты, 6 — исчезающие реки, 7 — провальные воронки,
8 — ущелье, 9 — пещера, 10 — сталактиты, 11 — сталагмиты, 12 — «терра-росса», 13 — пещерное озеро, 14 — сифоны
еф с желобковыми каррами напоминает стиральную доску, а участки развития многочисленных карров называют карровыми полями.
Желоба и рвы представляют собой более протяженные и глубокие участки карстового выщелачивания поверхности известняков, наследующие поверхностные трещины и достигающие глубины 5 м.
Поноры — узкие отверстия, наклонные или вертикальные, возникающие на узлах пересечения трещин при дальнейшем развитии процесса растворения и выщелачивания. Эти каналы служат стоком поверхностных вод и направляют их вглубь массива горных пород.
Карстовые воронки подразделяются на: 1) воронки поверхностного выщелачивания; 2) провальные; 3) воронки просасывания (коррозионносуффозионные, по Н. А. Гвоздецкому). Первый тип воронок напоминает собой воронку от взрыва снаряда или бомбы (рис. 8.3). Образуются они за счет выщелоченной с поверхности породы. Обычно в центре такой воронки располагается понор-канал, по которому уходит вода. Диаметр воронок обычно до 50 м, редко больше, а глубина 5–20 м. Провальные воронки связаны с обрушением свода над полостью, выработанной водами на некоторой глубине. Коррозионно-суффозионные воронки возникают в том случае, если карстующиеся известняки перекрыты пластом песчаных отложений и последние вмываются в нижележащие карстовые полости. При этом из пласта песка уносятся
Рис. 8.2. А — карры в ущелье Кульсу (по Н. А. Гвоздецкому); Б — развитие карров и каррового ландшафта (по Бондарчуку); В — деталь каррового поля