книги / Общая геология

192 Ф изическая, и л и динам ическая, геология

этом говорилось уже в главе, посвященной теплоте Земли. В зим­ нее время вода в пределах почвы, а также самых верхних частей коренных пород под почвой тоже находится в твердом состоянии.

Рассмотрим водопроницаемость горных пород. Водопроницаемость горных пород измеряется коэффициентом

проницаемости. Единицей проницаемости служит дарси или миллидарси (миллидарси равно 1Л000 дарси). Д а р с и — это прони­ цаемость породы, которая пропускает сквозь себя жидкость вяз­ костью 1 сантипуаз через площадь поперечного сечения 1 см2 со скоростью 1 см3/сек при разнице (перепаде) давления по направле­ нию струи жидкости 1 am на 1 см длины струи.

Под в я з к о с т ь ю , или в н у т р е н н и м т р е н и е м , ж и д к о с т е й понимают свойство жидкостей оказывать сопро­ тивление относительному перемещению одной части жидкости от­ носительно другой, а также перемещению твердого тела, поме­ щенного в жидкость.

Все горные породы в той или другой степени водопроницаемы. Под большим давлением водопроницаемы даже граниты и Гнейсы. Но эта проницаемость ничтожна. Практически же горные породы удобно делить на водопроницаемые и водонепроницаемые (водо­ упорные). К последним относится большинство магматических, метаморфических и осадочных пород (глины, глинистые сланцы, аргиллиты, алевролиты, мергели и др.). Прекрасным примером водонепроницаемой или водоупорной породы может служить вечная мерзлота, а также промерзшая в зимнее время почва.

На водопроницаемость горных пород оказывают сильное влияние размеры пустот (пор, каверн, капиллярных каналов, трещин), имеющихся в породе. Чем мельче размеры пустот, тем водопроницаемость горной породы меньше.

Все породы с частицами диаметром меньше 0,001 мм незави­ симо от их минералогического состава являются водонепрони­ цаемыми. Глины, торф, гумус, аморфный кремнезем, водная окись железа практически не пропускают через себя воду. Илы с части­ цами диаметром 0,001—0,01 мм почти водонепроницаемы. Пески и галечники водопроницаемы, причем пески с зернами диаметром 0,01—0,05 мм плохо пропускают воду. Породы из зерен диамет­ ром более 2 мм почти не задерживают воду. 30%-ная примесь глины к среднезернистому песку делает его водонепроницаемым. Исключением являются лёссовидные суглинки и лёсс, которые водопроницаемы.

Для нас наибольший интерес представляют различные песча­ ники, пески, конгломераты, галечники, глины, как наиболее водопроницаемые осадочные горные породы. Водопроницаемость

этих пород тесно связана с их пористостью и гранулометрическим составом.

П о р и с т о с т ь ю горной породы называется отношение общего объема пустот, имеющихся в породе, ко всему объему породы. Пористость, правильнее коэффициент пористости, вы­ ражается либо в виде правильной дроби, либо в процентах. В по­ следнем случае правильную дробь умножают на 100. Пористость гранитов в среднем равна 0,33%, базальтов 0,95%, известняков 4,43%, песчаников 14,46%, глин 45%. Пористость рыхлых песков и известняков колеблется в пределах 25—50%.

Пористость осадочных пород, особенно песков и песчаников, тем выше, чем однороднее по своим размерам и более сферичны по своей форме отдельные песчинки.

Можно представить себе идеальную породу, состоящую из одинаковых шаров. Этими шарами можно по-разному заполнить то или другое пространство, иными словами, получить «породу» различной пористости.

Допустим, мы заполнили какой-нибудь ящик шарами таким образом, что центры соприкасающихся шаров располагаются в вершинах куба. Нетрудно подсчитать, что пористость такой породы около 48%. Можно ящик заполнить шарами более плотно. Это произойдет в том случае, если центры соприкасающихся шаров будут располагаться в вершинах правильного тетраэдра. В этом случае пористость будет равна около 26%.

Характерно, что в первом и втором случаях пористость совер­ шенно не зависит от диаметра шаров. И мелкие и крупные шары дают одну и ту же пористость.

Это значит, что пористость обломочных горных пород (песков, песчаников, глин), состоящих из однородных по величине и близких к шаровидной форме частиц, почти не зависит от диаметра этих частиц.

Вполне понятно поэтому, что глины и глинистые сланцы нередко имеют пористость не меньшую, а иногда даже и большую, чем крупнозернистые песчаники с видимыми на глаз порами *. Чем больше по размерам своих частиц отличается та или другая обломочная порода и чем у породы эти частицы менее окатаны, тем пористость ее меньше. В этих случаях мелкие частицы запол­ няют пустоты между более крупными.

Таким образом, если нам известна характеристика обломочной породы по размерам частиц, входящих в состав породы, мы можем до некоторой степени судить о ее водопроницаемости.

Характеристику породы по размерам частиц дает нам г р а ­ н у л о м е т р и ч е с к и й с о с т а в п о р о д ы . Его еще на-

1 Несмотря на то, что глинистые породы высокопористы, опи в то же время водонепроницаемы. Это обусловливается тем, что размеры пор глини­ стых пород настолько малы, что практически не пропускают воду.

13 Заказ 1464.

во м п о р о д ы .

Взависимости от имеющихся лабораторных возможностей обломочную породу (песок, песчаник) разделяют на 4, 5 или иное число фракций. Часто выделяют по размерам частиц такие фрак­

3)от 0,25 до 0,05 мм; 4) от 0,05 до 0,01 мм; 5) <0,01 мм. Ясно, что чем больше определяется фракций, тем более ясное

представление о породе дает гранулометрический анализ. Механи­ ческий состав породы определяется часто путем последовательного просеивания породы через сита с отверстиями различных разме­ ров. Известны и другие способы механического анализа по­ род.

От пористости горной породы зависит ее влагоемкость. В л а- г о е м к о с т ь — это свойство горных пород заключать в своих пустотах (порах, кавернах, трещинах, капиллярах) то или иное количество воды. Различают влагоемкость полную, или наиболь­ шую, фактическую и капиллярную, или абсолютную.

П о л н о й или н а и б о л ь ш е й в л а г о е м к о с т ь ю на­ зывают количество воды (весовое или объемное), заполняющее все пустоты горной породы (поры, трещины, каверны, капил­ ляры) при отсутствии стока воды из породы. Ее можно определить,

чество воды, действительно содержащейся в породе при отсутствии стока ее. Эта влагоемкость нередко бывает равна полной, или наибольшей, влагоемкости породы. Фактическая влагоемкость выражается в процентах от наибольшей, или полной, влагоем­ кости.

Мелкозернистые пески (особенно алевриты с небольшой при­ месью глинистого.материала) с водой, заполняющей все пустоты породы, приобретают способность к течению от дополнительной капли воды. Такие породы называются п л ы в у н а м и .

Плывуны сильно затрудняют бурение скважин, так как не­

родой в капиллярах при свободном стоке ее из породы; ясно, что капиллярная, или абсолютная, влагоемкость тем меньше, чем больше водопроницаемость породы. Капиллярная, или абсо-

196 Физическая, или динамическая, геилогия

Отнимая из общего количества воды, выпадающей на ту или другую площадь земной поверхности в течение года, количество воды, стекающей в реки, и количество испаряющейся воды, можно определить количество атмосферной воды, уходящей на питание подземных вод. Естественно, что подобные подсчеты можно делать только для крупных регионов. Количество воды, стекающей, испаряющейся или поглощающейся, деленное на общее количе­ ство атмосферных осадков, выпадавших на тот или другой участок земной поверхности за то же время и умноженное на 100, даст соответственно коэффициенты стока, испарения и поглощения. Коэффициенты стока, испарения и поглощения атмосферной воды зависят от времени года. Коэффициент стока зависит от рельефа места и характера растительного покрова.

В районе Московской области за 25 дней половодья стекает до 75% выпадающих за эти дни атмосферных осадков. Там же в тече­ ние лета стекает менее 20% выпавших атмосферных осадков.

Коэффициент испарения зависит от колебаний температуры, атмосферного давления и ветров.

Коэффициент поглощения или инфильтрации зависит от ха­ рактера пород, выходящих на поверхность земли, и характера растительного покрова.

Атмосферная вода, поглощенная почвой и элювием, проникает в коренные породы, находящиеся под элювием. Эта вода под влиянием силы тяжести по порам, кавернам, капиллярным кана­ лам и трещинам проникает все ниже и ниже. В конце концов она достигает кровли первой от поверхности земли водонепроницаемой (водоупорной) породы, например глины, глинистого сланца, мер­ геля, каменного угля, гранита, гнейса или других пород. Затем вода начинает перемещаться по порам, каналам водопроницаемых пород в направлении, параллельном падению кровли водоупор­ ных пород. Пустоты (поры, каверны, трещины, капилляры) водо­ проницаемых пород в направлении снизу вверх постепенно запол­ няются водой (до максимальной, или полной, влагоемкости). Таким образом, возникает первый от поверхности земли водонос­ ный горизонт, лежащий на первой от поверхности земли водоупор­

ницаемые, пласты е, з, л, н водонепроницаемые (водоупорные). Горизонт грунтовых вод показан в пределах пласта д и частично пласта г. Граница между пластами e n d — подошва горизонта грунтовых вод. Поверхность горизонта грунтовых вод на рис. 79 показана в пределах пласта г. Поверхность этого горизонта не постоянная, она повышается весной и осенью, во время половодья и значительного количества выпадающих атмосферных осадков. Во время засухи (летом) эта поверхность понижается. Поверхность

вод, пьезометрической поверхностью, фреатическим горизонтом, колодезным горизонтом, гидростатическим уровнем. Мы же будем поверхность горизонта грунтовых вод называть уровнем грунто­ вых вод. Этот уровень, как показано на рис. 79, являетея не плоскостью, а сложной кривой поверхностью. Она до некоторой степени повторяет рельеф земной поверхности, но в более сгла­ женном виде.

В пределах горизонта грунтовых вод все пустоты (поры, ка­ верны, трещины, капилляры) на 100% заполнены водой, т. е. влагоемкость пород здесь полная (наибольшая). Выше уровня грунтовых вод влагоемкость пород неполная и в большинстве случаев капиллярная (абсолютная).

Колодцы для получения питьевой воды очень часто роют на горизонт грунтовых вод. Уровень грунтовых вод вокруг колодца опускается и образует воронку депрессии. Это показано на рис. 79 пунктиром. Уровень воды в таких колодцах в течение года меняется. В засушливое время года он сильно падает. Не­ редко в колодцах вода исчезает.

Забой колодцев лучше всего располагать в водоупорном слое, залегающем под горизонтом грунтовых вод.

Если уровень грунтовых вод выходит на поверхность земли, возникает болото. Отсюда вполне понятно, что болота образуются там, где первый от поверхности земли водонепроницаемый слой залегает очень неглубоко.

В каждой местности можно выделить глубины наивысшего и наинизшего положения в течение года уровня грунтовых вод. В пределах между этими глубинами легко развиваются различные болезнетворные микроорганизмы. Поэтому не рекомендуется брать воду для пищи и питья с указанных глубин.

Над горизонтом грунтовых вод нередко располагается гори­ зонт так называемой в е р х о в о д к и . Последняя не предста­ вляет собой сплошного водоносного горизонта, как горизонт грунтовых вод. Это водоносный горизонт сравнительно небольших размеров, линзообразной формы, залегающий среди пород над зеркалом грунтовых вод в той зоне земной коры, в которой имеется избыток кислорода. Иными словами, верховодка распо­ лагается в зоне* аэрации.

Горизонты верховодки имеют большое практическое значение для пустынных и полупустынных областей, где горизонты грунто­ вых вод залегают сравнительно глубоко.

Горизонты, содержащие воду, существуют и ниже горизонта грунтовых вод. Они обычно называются горизонтами подземных вод. На рис. 79 показаны горизонты подземных вод в пределах пластов ж (I горизонт подземных вод), геи частично й (II горизонт подземных вод) и пласта м (III горизонт подземных вод).

Наименования горизонтов подземных вод часто номерные. Порядковые номера горизонтов обычно идут сверху вниз. Чаще

этим горизонтам дают наименования геологических возрастов тех пород, к которым приурочены эти горизонты, например сармат­ ский горизонт подземной воды, караганский, майкопский, фораминиферовый горизонты подземных вод и т. д.

Каждый горизонт подземной воды имеет подошву, представлен­ ную водоупорной породой. На рис. 79 у I горизонта подошва пред­ ставлена водонепроницаемым пластом з, у II горизонта — пла­ стом л, у III горизонта — пластом н.

Рис. 79. Схема горизонтов грунтовых и подземных вод.

Вводопроницаемых пластах, расположенных между водоне­ проницаемыми, пустоты могут быть заполнены водой по всей мощ­ ности пластов или частично. На рис. 79 пласты ж и и не пол­ ностью заполнены водой, а пласт м полностью заполнен водой.

Вгоризонтах подземных вод вода чаще всего имеет атмосфер­ ное происхождение. В I, II и III горизонты могла проникнуть грунтовая вода других мест, где пласты ж, к, и или м выходят на поверхность земли, и для них соответственно пласты з, л, н

Таким образом, в районе, через который проведен наш разрез, могли возникнуть указанные выше I, II и III горизонты подземных вод в результате горизонтального перемещения (миграции) воды.

В I, II, III горизонты вода могла проникнуть и по радиальным расколам. В этом случае вода в них могла попасть или сверху

В горизонтах подземных вод вода не находится в покое. Она перемещается. Чем глубже залегает горизонт подземных вод, тем медленнее течение воды в нем. Эта скорость меньше, чем скорость течения грунтовых вод. Она колеблется примерно от 0 до 3 м/сутки.

Для установления скорости течения подземных вод в сква­ жину, вскрывшую интересующий нас водоносный горизонт, вводят какое-либо красящее вещество, например флюоресцин, фуксин, сафронин, краску конго, или меченые атомы. Затем в окружающих скважинах, вскрывших тот же горизонт, следят, когда в них в результате откачки воды появится введенное в пласт красящее вещество или меченые атомы.

Расстояние между скважиной, где появилось красящее веще­ ство, и скважиной, в которую было введено это вещество, делят на время, в течение которого произошла миграция красящего вещества. Частное от деления есть скорость течения подземной воды в направлении между скважинами.

Из красящих веществ наилучшим является флюоресцин. Он придает воде прозрачно-розовую окраску с зеленоватым оттенком на поверхности. Этот оттенок прекрасно виден невооруженным глазом при концентрации флюоресцина 1 объем на 200 млн. объемов воды.

Подземные воды содержатся и в глинах, которые практически считаются непроницаемыми. Эти воды тоже передвигаются, но скорость передвижения их очень мала, около 20 см/год.

До сих пор мы рассматривали подземные воды, приуроченные к пластам или слоям осадочных горных пород. Такие подземные воды называются п л а с т о в ы м и в о д а м и . Кроме пластовых вод, известны т р е щ и н н ы е в о д ы . Они встречаются часто в магматических или метаморфических горных породах. Системы сообщающихся между собой трещин образуют в этих породах горизонты подземных вод. Конечно, эти горизонты не имеют такой правильной геометрической формы, какую имеют пластовые горизонты подземных вод.

Современные скважины достигают глубин около 4—5 км, и на этих глубинах обнаруживают горизонты подземных вод. Наблюдениями установлено повышение температуры с глубиной. Это повышение в среднем равно 1° С через каждые 33 м глубины. С глубиной повышается и давление. На глубине около 12 км тем­ пература достигает 365—370° и давление приблизительно равно 3000 am. Для воды указанная температура является критической,

адавление значительно превышает критическое. Таким образом,

сглубины около 12 км жидкой воды в горных породах не может быть. По-видимому, на этой глубине в горных породах нет и пустот (пор, каверн, трещин и капилляров).

Следовательно, с глубины около 12 км геологические процессы

вземной коре протекают без участия воды. С этой глубины про­ исходят процессы образования метаморфических пород, в строении которых существенное участие принимает кремнезем.

Мы рассматривали до сих пор подземные воды, возникшие за счет атмосферной воды, выпавшей на поверхность земли в виде дождя, снега, града, инея и т. д. или образовавшейся вследствие конденсации водяных паров, содержащихся в самых нижних слоях атмосферы или в воздухе, заполняющем пустоты горных пород. Подземные воды атмосферного происхождения называются

ва д о з н ы м и .

Кроме вадозных вод, известны подземные воды глубинного, магматического происхождения. Эти воды поступают не сверху, как это наблюдается с вадозными водами, а снизу, из глубоких недр земной коры.

Магма при охлаждении выделяет различные газы, в том числе

иводяные пары. Они проникают через вещество земной коры из

ееглубоких недр, где температура очень высокая. Постепенно водяные пары попадают в такие области земной оболочки, где температура и давление становятся сравнительно низкими, где начинается процесс конденсации водяных паров в перегретую воду. В этой воде, несомненно, растворяются различные газы и соли. При миграции такой минерализованной воды по трещинам

земной коры кверху ее температура падает. Вода проникает в пористые горные породы, заполняет поры, каверны, капилляры, трещины и образует водоносные горизонты, преимущественно трещинные, а иногда и пластовые.

Подземные воды такого происхождения получили наименова­ ние ю в е н и л ь н ы х в о д .

Итак, по своему происхождению (генезису) подземные воды могут быть вадозными и ювенильными. Те и другие воды подвер­ гаются вертикальной и горизонтальной миграции. Первые имеют тенденцию к миграции сверху вниз, вторые — снизу вверх.

Естественно, эти воды при сложных путях своей миграции могут смешиваться и давать подземные воды смешанного происхо­ ждения.

Воды ювенильного происхождения, как правило, имеют более повышенную температуру и сильно минерализованы. Воды вадозные обладают противоположными признаками. Однако в про­ цессе циркуляции по горным породам воды глубинного происхо­ ждения могут приобрести весьма пониженные температуры и, наоборот, воды атмосферного происхождения могут растворить в себе значительные количества самых разнообразных солей, проникать на значительные глубины и там приобретать весьма повышенные температуры.

То же самое может происходить и с водами смешанного проис­ хождения.

к отдельным точкам выходов горизонтов подземных вод и в том числе горизонта грунтовых вод.

Участки земной поверхности, в которых выходят горизонты подземных вод, обычно покрыты ярко-зеленой растительностью. На этих участках растут осоки, хвощи, мхи, ивы, тростники, камыши и другие влаголюбивые растения.

В источниках, связанных с горизонтами грунтовых вод, обычно происходит медленное и спокойное высачивание воды. В источни­ ках, связанных с более глубокими горизонтами, вода нередко бьет ключом, выходит под повышенным, а то и значительным да­ влением. Количество воды, которое источник дает в единицу времени, называется д е б и т о м и с т о ч н и к а . Многие источ­ ники дадот воду, полезную для человека. Такие источники эксплу­ атируют. Для этого воздвигают сооружения для захвата воды, для защиты ее от утечек, от загрязнения, от притока посторонних вод, вод с иным химическим составом и т. д. Совокупность таких сооружений называется к а п т а ж е м и с т о ч н и к о в .

Источники бывают самыми разнообразными; они классифи­ цируются по различным признакам: 1) происхождению (генезису); 2) направлению течения воды; 3) температуре воды; 4) химиче­ скому составу растворенных солей.

Классификация источников по происхождению

По своему происхождению источники, так же как и подземные воды, делятся на вадозные, ювенильные и смешанные. Какие источники относить к тем, другим и третьим, ясно из предыдущего изложения.

Ювенильные источники называют еще девственными. Такое название обусловливается тем, что вода из таких источников впер­ вые появляется на поверхности земли. В дальнейшем эта вода поступает в общий круговорот воды на земле. Она уходит в реки, моря, океаны, испаряется в атмосферу, выпадает на поверхность земли в виде атмосферных осадков, просачивается в глубь земной коры и циркулирует в ней уже как вода вадозная.

Глубинная вода, выходящая на поверхность земли в девствен­ ных (ювенильных) источниках, увеличивает общее количество воды на земной поверхности. Надо иметь в виду, что часть юве­ нильной воды уходит на образование минералов, содержащих химически связанную воду, как, например, каолина, лимонита, гипса и др. Таким образом, общее количество воды на поверхности земли увеличивается за счет глубинной (магматической) воды.