Геологическая деятельность подземных вод

ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ  ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ  ПОДЗЕМНЫХ  ВОД.

      Подземные воды, или подземная гидросфера, как их назвал Ф. П. Саваренскии, представляют собой часть гидросферы Земли и являются предметом изучения особой отрасли геологических знаний, получившей название гидрогеология. 
     Гидрогеология справедливо претендует на значение самостоятельной науки, так как имеет свои задачи и только ей свойственные методы разрешения этих задач. 
     За счет подземных вод в основном производится водоснабжение городов и поселков.   
     Значение воды для человека особенно верно оценил А. П. Карпинский, указав, что гидрогеология помогает использованию «наиболее драгоценного полезного ископаемого». 
     Гидрогеология как наука имеет следующие сформулированные Ф. П. Саваренским задачи: выяснение условий образования и залегания подземных вод, установление законов движения воды под землей, изучение химических и физических свойств подземных вод, условий их использования и регулирования (в некоторых случаях подземные воды вредны для человека, так как затапливают шахты, подвалы зданий и т.п.). 
     Для подземных вод, как и для других полезных ископаемых, подсчитываются запасы и производится учет их расходования (баланс). Химизм подземных вод является критерием при поисках некоторых видов полезных ископаемых. Наконец, теплые и горячие (термальные) воды используются в целях теплофикации и энергетики. 
     Самостоятельность гидрогеологии как науки определяется и существованием особой методики гидрогеологических исследований. В гидрогеологии одновременно используется комплекс методов, заимствованных от ряда смежных дисциплин: гидравлики, разведочного дела, геофизики, химии. Однако «гидрогеолог должен быть в первую очередь геологом» (Саваренский), так как, несмотря на все свое своеобразие, гидрогеология имеет дело с изучением земной коры и неотделима от геологии и ее методов исследования. В настоящем курсе невозможно изложить все содержание гидрогеологии и в особенности коснуться специфических вопросов гидрогеологической методики, применяемой при исследовании динамики движения подземного потока, при опробовании подземных вод и при подсчете их полезных запасов. 
     В данной главе подземные воды будут рассмотрены главным образом с общегеологической точки зрения, как один из факторов денудации, и лишь очень кратко будут освещены вопросы их происхождения и условий залегания.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ  ПОДЗЕМНЫХ  ВОД.

 
     Еще в древние времена люди пытались выяснить происхождение подземных вод хотя и исключительно умозрительным путем, без проверки опытами и наблюдениями. Однако уже до начала н. э. были намечены все возможные пути решения вопроса, которые позднее действительно были использованы при построении современной теории их происхождения. Платон (IV—III вв. до н. э.) источником образования подземных вод считал морские воды; Аристотель (IV в. до н. э.)—сгущение холодного воздуха; Марк Поллио (I в. до н. э.) объяснял происхождение подземной воды просачиванием атмосферных вод. 
     Гипотеза о проникновении в слои Земли морской воды не могла стать универсальной. Безусловно, морская вода содержится в морских осадках, в дальнейшем сохраняясь и в осадочных породах; морская вода просачивается по порам и трещинам горных пород, слагающих побережье морей. Однако роль морской воды в формировании запасов подземных вод невелика, тем более, что за ее счет вообще не могут образоваться источники воды на высоких гипсометрических отметках на континентах и в горах, и притом воды пресной, т. е. с иным химическим составом. 
     В начале XVIII в. (1717 г.) Мариот впервые обосновал выдвинутую еще Марком Поллио гипотезу, получившую название инфильтрационной. Он объяснял происхождение подземных вод за счет инфильтрации, т. е. проникновения дождевых и талых вод по порам и трещинам в горных породах, залегающих на поверхности суши. Эта, несомненно, прогрессивная гипотеза господствовала в науке около двух веков, но в XIX в. подверглась критике. 
     Основные возражения против инфильтрационной гипотезы сводились к двум положениям. Гипотеза инфильтрации не объясняла наличия «сухого» слоя между насыщенной влагой почвой и глубоко залегающими подземными водами, добываемыми колодцами. Кроме того, суммарный дебит (расход) источников данной местности не соответствует количеству выпадающих на ее территории атмосферных осадков. 
     Фольгер (1877 г.) выдвинул другую гипотезу — гипотезу «подземной росы», или конденсационную. Сущность ее заключается в следующем: влажный воздух у поверхности земли в летнее время всегда теплее почвенного, что создает разницу в давлении паров воды в воздухе и почве. С поверхности земли, где давление больше, пары воды начинают проникать в грунт, происходит сгущение паров, их конденсация, т. е. переход в жидкое состояние. Эта гипотеза, возрождающая в современной форме идеи Аристотеля, хорошо объясняет происхождение пресных вод в песках пустыни, где атмосферные осадки редки, а также на песчаных островах в море. 
     Конденсационную гипотезу Фольгера развил и существенно изменил А. Ф. Лебедев (1907—1919 гг.). Различие между конденсационными гипотезами Фольгера и Лебедева заключается в том, что первый допускал возможность проникновения и циркуляции самого воздуха в почву. Лебедев же допускает лишь перемещение водяного пара под влиянием разности его упругостей. Наиболее низкая температура в грунте приурочена в летнее время к поясу постоянной температуры. Здесь устанавливается и минимальное давление пара. К этому горизонту устремляются лары воды не только от поверхности земли, но и из горизонтов, расположенных ниже пояса постоянной температуры, так как вниз температура возрастает по правилу геотермической ступени, и соответственно в более низких горизонтах увеличивается давление пара. 
     Однако и это добавочное положение не могло объяснить образования огромных масс подземных вод с помощью одной конденсации. Поэтому Лебедев признавал, что наряду с конденсацией в образовании подземных вод участвует и инфильтрация. 
     Э. Зюсс указал на возможность образования подземных вод также за счет выделения водяных паров из состава магмы. Действительно, при извержении вулканов выделяется большое количество водяных паров, по крайней мере часть которых, возможно, впервые поступает в атмосферу. Магма, остывающая в глубинах земной коры, также постепенно выделяет водяные пары и тем самым пополняет запасы подземных вод. 
     Возникающие таким путем воды Зюсс назвал ювенильными, что по-русски означает — девственные, т. е. не участвовавшие еще в круговороте воды на поверхности земли: не испарявшиеся, не выпадавшие в виде атмосферных осадков, не стекавшие по поверхности суши в океан. Ювенильные воды Э. Зюсс противопоставил водам «блуждающим», или вадозным (от латинского слова «ватере» — блуждать), издавна участвующим в поверхностном круговороте. К ним, очевидно, следует отнести и подземные воды инфильтрационного и конденсационного происхождения. 
     В природе подземные воды могут возникать всеми указанными способами, т. е. как в результате инфильтрации атмосферных осадков и вод из водоемов суши — озер, болот, рек, — так и путем конденсации, просачивания и захоронения морской воды и выделения воды из магмы. Следует отметить, что в разных случаях возможно возникновение подземных вод как одним из указанных путей, так и смешанным путем. 
     Трудно пока сказать, какую количественную роль играют все указанные способы происхождения подземных вод в общем их балансе в земной коре. В настоящее время инфильтрационный способ представляется наиболее универсальным и распространенным. 
Количество воды, находящейся под землей, трудно определить. Сделанные различными исследователями подсчеты сильно расходятся. Указывается следующее соотношение между количеством воды атмосферы (А), гидросферы (Г) и литосферы, или подземной (Л) : А : Г: Л= 1:100000: 10. 
     Абсолютная величина количества воды в литосфере достигает, во всяком случае, десятков (Фуллер) и, быть может, сотен (Слихтер) миллионов кубических километров.

ФИЗИЧЕСКОЕ  СОСТОЯНИЕ  ПОДЗЕМНОЙ  ВОДЫ.

      Оценка -физического состояния воды, находящейся в горных породах, представляет не только теоретический, но и практический интерес, так как этим определяется возможность ее извлечения в жидком виде и вообще использования для нужд людей. 
     Прежде всего вода может входить в связанном состоянии в состав минералов, из которых сложены горные породы. По характеру связей при этом различают несколько форм связанной воды: конституционную, кристаллизационную, гидратную.  
     Конституционная вода. Эта вода содержится в молекулах и кристаллических решетках минералов не в виде целых молекул, а в виде разобщенных ионов водорода .или гидроксила, являющихся обязательными составными частями данного химического соединения. Она может быть выделена только при полном распаде соединения, когда собственно и возникают молекулы воды, ранее самостоятельно не существовавшие. 
     Кристаллизационная вода. В кристаллическую решетку минерала входит кристаллизационная вода в виде цельных молекул в строго определенной пропорции с основным химическим соединением. Ее присутствие определяет форму кристаллизации минерала, т. е. сингонию и класс образующихся кристаллов. Примерами могут служить гипс (СаSО₄*2Н₂О) или мирабилит (Na₂S0₄*10Н₂О). В последнем содержится до 55,9% воды по весу, но выделить ее с помощью нагревания можно только ценою распадения кристаллов, т. е. уничтожения данного минерала. 
     Гидратная вода. Это вода, присоединенная к частицам коллоидных веществ в виде плотно облекающих последние слоев молекул, как, например, в опале (SiO₂*nH₂O) или коллоидных гидратах окиси железа (Fe₂О₃*nН₂О). Содержание гидратной воды в подобных коллоидных минералах непостоянно и зависит от температуры, давления и степени влажности окружающей среды. Однако хотя гидратная вода и менее прочно связана с минералами, чем кристаллизационная, а тем более конституционная, она также не является свободной и не обладает свойствами жидкости, а представляет лишь составную часть твердого тела. Только выделившись из коллоидных минералов, она, собственно говоря, превращается в воду. 
     Все рассмотренные виды связанной воды являются предметом изучения минералогии, так как представляют составные части минералов. В ходе образования и разрушения минералов то происходит присоединение к ним жидкой воды и переход ее в связанное состояние, то выделение ее вновь в свободном виде. Поэтому связанная вода в некоторой степени участвует в общем круговороте воды на поверхности земли и в недрах земной коры. При решении ряда вопросов истории подземных вод ее необходимо учитывать. Но все же связанная вода минералов не входит в понятие подземных вод и не является объектом изучения гидрогеологии. Подземные воды — совокупность воды, наполняющей поры и трещины горных пород и химически не связанной с минералами. 
     Химически не связанная вода может содержаться в горных породах в парообразном, жидком и твердом состоянии, т. е. в виде льда. Однако собственно подземными водами называют обычно жидкую воду. Можно различить несколько состояний или, вернее, форм существования жидкой воды в горных породах, а именно: гигроскопическую, пленочную, капиллярную и гравитационную воду. 
     Гигроскопическая вода. Там, где влажность пород наименьшая, возникает гигроскопическая вода. Она образуется из паров воды, проникающих в поры породы вместе с воздухом, и осаждается на частицах породы, например зернах песка, в виде мельчайших обособленных друг от друга капелек. Последние настолько прочно адсорбированы частицами породы, что под влиянием молекулярных сил притяжения не в состоянии передвигаться в породе в жидкой фазе. Отделиться от песчинки вода может, лишь перейдя в газообразную фазу. 
     Пленочная вода. При увеличении количества капелек на поверхности частиц породы они образуют тончайшую сплошную пленку. Возникает новая качественная категория физического состояния воды под землей — вода пленочная. В чем заключаются ее особенности? Пленка очень тонка и настолько прочно держится на частицах породы силами молекулярного притяжения, что не может отделиться от них под влиянием силы тяжести. В этом отношении новая фаза существования воды сходна с фазой гигроскопической. Однако пленочная вода обладает способностью передвигаться в породе в жидкой фазе, но под воздействием молекулярных сил, благодаря чему может перемещаться в любую сторону, в том числе и снизу вверх, как бы не считаясь с силой тяжести. 
     Если, например, в каком-либо месте в связи с испарением пленка воды сделается более тонкой или исчезнет, или, наоборот, в связи с конденсацией влаги станет толще, чем в соседнем месте, то начнется перемещение воды, пока толщина пленки не выравняется.

КАПИЛЛЯРНАЯ  И  ГРАВИТАЦИОННАЯ  ВОДА. 

    Капиллярная вода. Новое качественное физическое состояние воды под землей возникает при условии полного заполнения пор. Если диаметр поры не превышает 1 мм (так называемые капиллярные поры), то вода будет находиться под влиянием молекулярных сил и сил поверхностного натяжения, получивших в данном случае название капиллярных сил. 

    Столбик воды, заполняющий капиллярную пору, ограничен сверху и снизу вогнутыми поверхностями — менисками. Каждый из этих менисков действует подобно всасывающему насосу, стремясь сдвинуть весь столбик воды в свою сторону. Пока пора заполнена водой на небольшом протяжении, действия верхнего и нижнего менисков уравновешивают друг друга, и вода остается неподвижной, находясь как бы в подвешенном состоянии. Такие висячие капиллярные воды очень распространены в природе. К ним в большинстве случаев относятся почвенные воды, обусловливающие влажность почвы и тогда, когда подпочва совершенно суха. 
     На некоторой глубине, где поры породы целиком заполнены жидкой водой, последняя может по капиллярным порам подниматься и в вышележащую часть породы, иногда довольно высоко. Это происходит потому, что в данном случае нижнего мениска в поре не существует, а верхний мениск как бы засасывает воду вверх с тем большей силой, чем тоньше пора. Поэтому величина капиллярного поднятия воды наибольшая в тонкозернистых, а следовательно, и тонкопористых породах — суглинках и глинах — и значительно меньше в песках. В галечниках капиллярное поднятие практически отсутствует, так как подавляющее большинство пор здесь очень крупные. Под влиянием капиллярных сил глина всасывает в себя воду с силой, определяемой в 3 атм, причем высота подъема воды достигает 30 м. В еще более мелкозернистой породе — литографском сланце — величина силы всасывания достигает 5 атм и подъем воды в капиллярах может осуществляться на высоту до 50 м. 
     Противоположное явление происходит в том случае, если порода с капиллярными порами будет сверху залита водой, имеющей свободную поверхность. Так бывает, например, после дождей, когда образуются лужи. В капиллярных порах породы под такими лужами нет верхних, а есть лишь нижние мениски. Они как бы засасывают воду на глубину, способствуя ее инфильтрации даже в слабопроницаемые породы. Это явление играет очень большую роль в образовании подземных вод за счет атмосферных осадков. 
     Гравитационная вода. Новое качественное состояние подземной воды наступает в крупнопористых породах, при диаметре пор более 1 мм. В таких порах даже при неполном заполнении их водой последняя начинает перемещаться под влиянием силы тяжести (гравитация), если толщина водной пленки, покрывающей стенки пор, достаточно велика. Тем более это касается случая полного заполнения крупных пор, когда вода практически целиком движется под воздействием силы тяжести, т. е. течет в сторону уклона ложа. Именно эти гравитационные воды только и являются водами свободными, тогда как капиллярные, а особенно пленочные воды все же, хотя и рыхло, но связаны с горной породой. Только гравитационные воды являются практически доступными для эксплуатации, как поддающиеся извлечению из горных пород с помощью вычерпывания, откачки и т. п. Ни капиллярная, ни тем более пленочная вода добываться из земных недр в качестве полезного ископаемого не может, так как технически доступными способами выделить ее в жидком состоянии нельзя. Когда говорят о подземных водах, то и имеют в виду именно гравитационные воды. 
     Приведенная классификация состояний подземных вод была предложена А. Ф. Лебедевым и применяется до сих пор. Внесенные в нее дополнения сводятся к тому, что в классе пленочных вод выделяют две разновидности — воды адсорбированные и воды абсорбированные. 
     Адсорбированные воды — воды, удерживаемые частичкой породы на своей поверхности. Абсорбированные же воды являются водами, вошедшими в мельчайшие промежутки ячеек пространственной решетки или тончайшие пространства, отделяющие друг от друга отдельные коллоидные мицеллы, из которых состоит минерал. Это собственно вода, по состоянию занимающая уже промежуточное положение между собственно пленочной и гидратной. 
     Эта поправка не нарушает принципа рациональной классификации физического состояния подземных вод, предложенной Лебедевым, но лишь дополняет ее.

ТИПЫ  ПОДЗЕМНЫХ  ВОД  И  ИХ  ДИНАМИКА.

      По условиям залегания, питания и движения подземные воды неодинаковы и среди них можно различить несколько типов. Для того чтобы лучше понять эти различия, рассмотрим вначале условия залегания подземных вод, типичные для областей, сложенных толщами слоистых осадочных пород. Представим себе, что местность сложена с поверхности толщей водопроницаемых или полупроницаемых рыхлых пород (песков, супесей, суглинков), которые на некоторой глубине подстилаются слоем водоупорной глинистой породы. Двигаясь сверху вниз по разрезу вначале встретимся с почвенными водами, располагающимися в поверхностной зоне промачивания дождевыми осадками и конденсации влаги из воздуха. Это воды висячие, не подстилаемые водоупором. Обычно здесь содержится лишь очень немного гигроскопической и пленочной воды, а во влажные сезоны еще и капиллярной. Почвенная вода играет очень большую роль в питании растений, но добыть ее колодцами, как правило, невозможно. Зона почвенных вод в разных породах и при разных климатических условиях может иметь различную мощность. В песках она измеряется сантиметрами, а в глинах и суглинках — дециметрами и даже метрами. 
     Ниже часто располагается толща практически сухих пород, содержащих очень мало воды в пленочном состоянии. Но если в этой толще имеются прослои или линзы относительных водоупоров, то во влажные сезоны года на них очень длительное время задерживается некоторое количество воды. Эти временные водоносные горизонты получили название верховодки. 
     Если постоянные подземные воды лежат очень глубоко или по своему составу непригодны для питья, местное население иногда использует для водоснабжения и верховодку, добывая ее колодцами. Однако это ненадежный и плохой источник воды, непостоянный и легко загрязняющийся, особенно в населенных пунктах за счет просачивания сверху грязных сточных вод, вод из уборных, хлевов и т. п. 
     В областях с влажным климатом над первым сверху сплошным водоупорным слоем обычно располагается уже более постоянный горизонт подземных вод, насыщающий нижнюю часть проницаемой толщи. Этот первый от поверхности постоянный водоносный горизонт носит название горизонта грунтовых вод. 
     Грунтовые воды, подобно почвенным водам и верховодке, питаются за счет просачивания атмосферных осадков сверху, т. е. получают питание на той же площади, где они распространены. Поэтому водообилие грунтовых вод прямо зависит от климата данной местности и, в частности, от распределения осадков по сезонам года. Хотя этот горизонт и гораздо более постоянен, чем верховодка, но количество воды в нем сильно колеблется во влажные и сухие сезоны, а иногда он может даже частично или полностью пересыхать. Подобно верховодке, грунтовые воды могут, хотя и в меньшей степени, загрязняться сверху, но так как они ближе всего располагаются к поверхности, колодцами в сельской местности чаще всего добывают именно грунтовые воды. 
     Собственно горизонтом грунтовых вод, или водоносным горизонтом, называется часть перекрывающей водоупорный слой проницаемой толщи, насыщенная гравитационной водой. Сверху водоносный горизонт ограничен зеркалом грунтовых вод, на уровне которого устанавливается вода в вскрывающих ее колодцах. Над зеркалом грунтовых вод располагается зона капиллярного поднятия, в которую по капиллярным порам затянута капиллярная вода. В ней порода очень сильно увлажнена, но вода из нее непосредственно не вытекает, если только ее не отжимать искусственно. Мощность зоны капиллярного поднятия в зависимости от гранулометрического состава и пористости породы колеблется от 0,02 до 1,2 м в песках, и от 3,5 до 6,5 м в суглинках. 
     Если ниже горизонта грунтовых вод располагается толща, состоящая из чередования водопроницаемых и водоупорных пород, то над каждым водоупором может располагаться особый водоносный горизонт. В отличие от грунтовых вод эти водоносные горизонты называются межпластовыми. Они перекрыты сверху водоупорами, препятствующими непосредственной инфильтрации воды с поверхности. Областью их питания служат иногда очень удаленные районы, в которых данный слой водопроницаемой породы лежит прямо на поверхности. Возникающие подземные воды стекают по уклону водоупора и достигают данной местности часто через очень длительный срок, измеряемый многими годами, столетиями и тысячелетиями. Поэтому межпластовые воды не зависят от сезонных изменений осадков и испарения в данной местности в такой мере, как грунтовые, и отличаются гораздо большим постоянством. Сверху они защищены водоупорами от местного загрязнения и, таким образом, являются лучшими источниками водоснабжения, чем грунтовые воды, если, конечно, они пресные. 
  Однако продолжительные засушливые периоды могут сказаться на истощении и межпластовых водоносных горизонтов.

ТЕМПЕРАТУРА  ПОДЗЕМНЫХ  ВОД.

      Неглубоко залегающие грунтовые воды испытывают сезонные колебания температуры, амплитуда которых лишь несколько ослаблена, а сроки повышения и понижения запаздывают по сравнению с сезонными температурами земной поверхности. Поэтому колодцы, питающиеся такими водами, иногда даже замерзают зимой. Однако, чём глубже мы опускаемся под землю тем меньше колебания температуры, и, наконец, в поясе постоянных температур она становится неизменной в течение всего года и равной средней годовой температуре местности. Такова же и температура циркулирующих там вод. И летом и зимой она остается одинаковой. 
     Там, где средние годовые температуры отрицательны, вода в поясе постоянных температур круглый год находится в твердом состоянии в виде льда. Это так называемая многолетняя или «вечная» мерзлота, о которой речь будет идти ниже. Она характерна для большей части территории Восточной Сибири. Там, где средние годовые температуры выше нуля, подземные воды пояса постоянных температур, наоборот, не замерзают даже зимой. В Западной Сибири и Европейской части СССР воду добывают из колодцев и в зимнее время, а летом она холодная даже в самую жару. 
     Воды, циркулирующие на большой глубине, нагреты выше среднегодовой температуры местности и тем выше, чем глубже они залегают. Здесь начинает действовать тепло, поднимающееся из недр земного шара. Если температура источника выше среднегодовой, то это показывает, что вода поднимается с глубин, превышающих глубину залегания пояса постоянной температуры. Для определения глубины восхождения подземной воды по температуре источника можно использовать следующий простой расчет. 
     Предположим, что температура источника 15°, средняя годовая температура местности и, следовательно, температура у пояса постоянной температуры 5°; пояс постоянной температуры залегает на глубине 10 м; геотермическая ступень равна 30 м. Тогда глубина восхождения источника будет: (15°—5°)*30 - 10 = 290 м. 
     Источники, поднимающиеся по трещинам с больших глубин, могут иметь очень высокую температуру, достигающую десятков градусов (30—60° и выше). Подобные теплые и горячие источники (термальные источники, термы, гидротермы) известны во многих местностях, в которых существуют относительно молодые, еще не успевшие закрыться трещины тектонических разрывов и, вообще, молодые дислокации. Происхождение их не обязательно связано с наличием в этой местности на небольшой глубине внедрившейся в земную кору и еще не остывшей массы раскаленной магмы. Подобные теплые или горячие ключи могут возникнуть при погружении на значительную глубину обычных артезианских или трещинных вод, питающихся за счет атмосферных осадков. Во многих областях, где нет никаких следов вулканизма, на больших глубинах буровыми скважинами в настоящее время вскрыть сильно нагретые артезианские воды. Широкое их распространение, несомненно, и при нынешних успехах техники глубокого бурения практически ставятся вопрос о возможности их использования для теплофикации населенных пунктов и других целей. 
     Существуют, конечно, горячие источники, связанные с магмой. Ими изобилуют все вулканические области.