Подземные воды
20
Май
Вода является самым распространенным веществом на планете. И, в то же время, это самое уникальное соединение. Благодаря воде, на Земле появилась и продолжается жизнь. Все природные воды очень тесно связаны между собой, они образую водную оболочку нашей планеты – гидросферу. Вода обеспечивает круговорот веществ и энергии в природе.
Огромную роль в процессе круговорота играют подземные воды. Сегодня в мире очень остро стоит проблема дефицита чистой пресной воды. Глобальное загрязнение поверхностных вод – это одна из важнейших причин обратить внимание на подземные воды как основной источник обеспечение людей водой.
Что представляют собой подземные воды
Подземные воды – это все воды, которые расположены в горных породах ниже земной поверхности в газообразном, жидком и твердом состояниях. Глубина залегания подземных вод колеблется от нескольких метров до десятков километров. По утверждению В.И.Вернадского, они могут находиться на глубине 60 км.
По приблизительным подсчетам, запасы пресной воды в недрах Земли составляют около 400 млн. км³. Это примерно 1/3 всех водных запасов Мирового океана. В земной коре подземные воды расположены на двух уровнях.
Нижний уровень состоит из очень плотных магматических пород и содержит небольшое количество воды. Верхний уровень состоит из осадочных пород и содержит основной объем воды. Этот уровень, в свою очередь, по характеру обмена с поверхностными водами делится на три зоны.
Подземные воды верхней зоны свободно обмениваются с поверхностными водами, они пресные, поэтому являются источником водоснабжения населения. В средней зоне водообмен происходит по замедленному типу, там располагаются минеральные воды различного состава. Это древние воды.
Нижняя зона еще меньше расположена к водообмену, в ней залегают так называемые высокоминерализированные рассолы. Эти воды – превосходный источник брома, йода и других веществ.
Формирование подземных вод происходит в основном за счет проникновения атмосферных осадков, а также конденсации водяного пара, который просачивается вместе с воздухом в трещины горных пород.
Кроме того, существуют реликтовые воды – это воды древних морских бассейнов, сохранившиеся под толщами различных пород. Известны также термальные воды, которые образовались на последних стадиях магматических процессов. Термальные воды называют еще ювенильными водами.
Свойства подземных вод
Прозрачность. Природная вода может быть прозрачной или мутной. Мутность воды обусловлена наличием в ней частиц органического или минерального происхождения, а иногда и растворенными в ней химическими соединениями.
Цвет. Чистая вода не имеет цвета. Окраска воды свидетельствует о наличии в ней тех или иных примесей.
Запах. Как правило, чистые подземные воды не имеют запаха. Присутствие запаха свидетельствует о наличии в воде каких-либо химических соединений (например, наличие сероводорода придает запах тухлых яиц).
Вкус. Чистая вода не имеет вкуса. Наличие вкуса говорит о содержании в воде каких-либо веществ (например, подземные воды, залегающие в районах сульфидных месторождений, имеют кислый привкус).
Температура. Этот показатель колеблется в пределах от 4-5° С до 60-90° С. Если температура воды выше 20° С, такие воды называют субтермальными. Наибольшую плотность пресная вода имеет при температуре 4° С.
Химический состав подземных вод
Подземные воды имеют разный химический состав, который обусловлен влиянием следующих факторов:
- растворение минералов и горных пород
- концентрация солей в результате испарения
- выпадение солей из природных растворов
- выщелачивание почвы и горных пород
- микробиологические процессы
- смешивание вод разного происхождения.
Все эти процессы, в свою очередь, зависят от климатических, геологических и прочих условий. В формировании химического состава подземных вод очень важное значение имеют осадки, так как из атмосферы на земную поверхность поступает большое количество растворенных солей.
Осадки, проникая вглубь, насыщаются солями, содержащимися в почвенном горизонте. Далее осадки соединяются с подземными водами, принося с собой карбонаты, сульфаты кальция, карбонаты магния. В местах расположения сельскохозяйственных угодий атмосферные осадки привносят в подземные воды азотнокислый калий, который используется в качестве удобрения. Чем выше располагаются грунтовые воды, тем выше их минерализация.
Виды подземных вод
Подземные воды в зависимости от происхождения делятся на:
- инфильтрационные;
- конденсационные;
- седиментогенные;
- ювенильные (магматические)
Инфильтрационные воды
Эти воды формируются в результате проникновения в горные породы атмосферных осадков. Непрерывный круговорот воды на планете происходит при обязательном участии атмосферных, поверхностных и подземных вод. Вода с земной поверхности под воздействием солнечного тепла испаряется и насыщает паром воздух. Непрерывное перемещение воздушных масс способствует сгущению паров и выпадению их на поверхность планеты в виде осадков.
Выпавшие осадки движутся по трем направлениям: одна часть стекает в реки, которые движутся к морям и океанам, другая часть испаряется, а третья проникает в глубину, создавая условия для накопления подземных вод, которые, в свою очередь, также продвигаются к морям и океанам.
Подтверждением тому, что подземные воды имеют такое происхождение, служит изменение состава воды и ее количества в колодцах во время обильных дождей. Инфильтрация считается основным источником пополнения подземных вод.
Конденсационные воды
Известно, что в зонах пустынь и полупустынь имеются слои влажных пород и некоторые запасы подземных вод. При том количестве атмосферных осадков и мощной испаряемости, которые наблюдаются в этих районах, инфильтрацией объяснить накопление подземных вод не представляется возможным.
Впервые теорию конденсационного происхождения подземных вод выдвинул немецкий геолог Отто Фольгер в 1877 году. Он утверждал, что теплый воздух, в котором содержатся водяные пары, проникает в более холодные породы и отдает им влагу в результате конденсации. Примечательно, что Фольгер считал свою теорию единственно верной и отрицал возможность накопления подземных вод в результате проникновения осадков в грунт.
Изначально теория Фольгера не нашла поддержки в научном сообществе, так как не соответствовала представлениям о скорости обмена воздушными потоками между атмосферой и литосферой, а экспериментальных данных на тот момент не существовало. На некоторое время эта теория была предана забвению.
Вновь заговорили о ней только в 1927 году благодаря известному русскому почвоведу Александру Федоровичу Лебедеву. Ученому удалось провести ряд блестящих экспериментов, в результате которых он установил, что между атмосферой и литосферой в водном режиме наблюдается равновесие.
Пар, находящийся в свободной атмосфере и пар в воздухе, заполняющем пустоты и поры в горных породах и почве, могут перемещаться в пространстве по причине разной упругости. Перемещение всегда направлено от мест, где содержится пар с большей упругостью, к местам скопления пара с меньшей упругостью.
В том случае, если упругость пара в свободной атмосфере выше, чем в воздухе, содержащемся в почве и породах, то он переместится из воздуха в почву. Так как почве и породам свойственны более низкие температуры, водяной пар там начинает конденсироваться и переходить в жидкое состояние. Этот процесс аналогичен образованию росы при резкой смене ночных и дневных температур.
Седиментогенные воды
Эти воды имеют морское происхождение, образованы они в результате накопления морских осадков. Иловые осадки, покрывающие морское дно, непрерывно пропускают через себя некоторое количество воды с растворенными в ней солями. Как правило, седиментогенные подземные воды формируются на очень больших глубинах, где морское дно покрыто мощными пластами осадочных пород.
Ювенильные или магматические воды
Это самые молодые подземные воды (отсюда и название «ювенильные»). Источники этих вод образовались в областях недавней (относительно возраста нашей планеты) вулканической деятельности молодых гор. Эти воды имеют повышенную температуру и содержат в растворенном виде нехарактерные для поверхностных условий соединения.
Впервые так называемая ювенильная теория была выдвинута австрийским геологом Эдуардом Зюссом в 1902 году. Он утверждал, что такие воды образуются в результате выделения из магмы при ее остывании газообразных продуктов. Попадая в области более низких температур, водяные пары конденсируются и принимают капельножидкую форму.
Позже эта теория была дополнена. Пары воды, выделившиеся из магмы на большой глубине, вместе с другими газообразными компонентами, поднимаются вверх по разломам земной коры и встречаются с подземными водами инфильтрационного происхождения. Ближе к поверхности земной коры они поступают уже в смешанном виде.
Также при благоприятных условия инфильтрационные воды могут проникать на большие глубины. Достигая уровня более высоких температур, они нагреваются, меняют свой состав, обогащаясь присутствующими там в растворенном виде минеральными веществами.
Классификация по условиям залегания
В толще земли есть несколько водоносных слоев. Накапливание подземных вод происходит благодаря водоупорным пластам. Как правило, эти пласты состоят из глины, которая почти не пропускает воду, предохраняя тем самым водоносные слои от загрязнения.
Иногда в водоупорных пластах встречаются камни. Между пластами глины практически всегда есть песчаные слои. Так как песок обладает способностью удерживать влагу, происходит скапливание воды и образование водоносных недр земли. Водоносные слои могут защищаться водоносными пластами с обеих сторон, а могут только с одной.
По условиям залегания различают:
- почвенные воды;
- верховодку;
- грунтовые воды;
- артезианские воды.
Почвенные воды
Почвенные воды содержатся в почвенном слое, они связаны с атмосферой и находящимися под ними верховодкой и грунтовыми водами, участвуют в питании растений. В зависимости от географического положения и климата региона, толщина почвенного слоя колеблется от нескольких сантиметров до 1,5 м и более. Все почвы состоят из так называемых горизонтов, отличающихся по цвету, структуре, плотности.
Почвенные воды оказывают существенное влияние на химический состав почв. Если грунтовые воды залегают неглубоко, почва чрезмерно увлажняется, происходит ее заболачивание. В этом случае в результате испарения в почвах накапливаются магний, сульфиды, хлориды, фосфор и другие вещества. При глубоком залегании грунтовых вод почвенные воды способствую выносу в водоносные горизонты различных солей.
Верховодка
На линзах и выклинивающихся пластах водоупорных пород в зоне аэрации образуется особый тип подземных вод – верховодка. Процесс образования верховодки обусловлен инфильтрацией поверхностных вод и атмосферных осадков, а также конденсацией водяных паров.
Интенсивность этих процессов в зависимости от климатических условий сильно колеблется. При определенных условия может образовываться довольно большое скопление доброкачественной воды. Но чаще всего верховодка представляет собой временный, довольно маломощный водоносный горизонт, практически полностью исчезающий в засушливый период.
Мощность верховодки колеблется в пределах от 0,4м до 1,0 м, очень редко достигает 5 м. Образуется преимущественно в суглинках, легко проницаемые и невлагоемкие породы для формирования верховодки непригодны.
Отличительные признаки верховодки:
- ограниченная площадь распространения;
- резкие колебания уровня, состава, запасов воды в зависимости от климата;
- отсутствие гидравлической связи с водами рек;
- наличие возможности загрязнения другими водами;
- специфическая динамика: она может питать грунтовые воды, а может полностью испариться.
Состав вод верховодки очень разнообразен. В результате всех этих особенностей воды верховодки не пригодны для постоянного водоснабжения.
Грунтовые воды
Подземные воды первого от поверхности постоянно действующего водоносного горизонта, который залегает на достаточном по площади водоупорном пласте, называют грунтовыми водами.
Важнейшие признаки грунтовых вод:
- как правило, это воды безнапорные, имеющие свободную поверхность и связь с атмосферой; при наличии локальных водоупорных перекрытий могут приобретать незначительный напор
- температура, глубина залегания, минерализация, подвержены периодическим систематическим колебаниям
- практически повсеместно распространены в природе; их образование приурочено к рыхлым отложениям четвертичного периода; чаще всего формируются в междуречных массивах, в районах древних и современных речных долин, в областях выветривания массивных пород
- обладают доступностью для практического использования, но по этой же причине подвержены сильному загрязнению
- питание происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков и поверхностных вод, конденсации водяных паров, дополнительного питания из более глубоких водоносных горизонтов
Грунтовые воды формируются на водонепроницаемых породах, которые называются водоупорным ложем (водоупором). Поверхность называют уровнем или зеркалом грунтовых вод. Мощность грунтового горизонта представляет собой расстояние от кровли водоупорного ложа до зеркала грунтовых вод. Этот показатель подвержен значительным колебаниям.
Грунтовые воды постоянно движутся, перемещаясь под влиянием силы тяжести от участков более высокого уровня к местам с уровнем ниже. Скорость перемещения подземных вод при наличии уклонов составляет примерно 0,001-0,007 метров в сутки. В песках и супесях скорость значительно возрастает.
Водоносные горизонты грунтовых вод могут встречаться с отрицательными рельефными формами: оврагами, балками, озерными котловинами. В этом случае происходит выход грунтовых вод на поверхность.
Поверхность грунтовых вод неровная, волнистая, чаще всего она повторяет рельеф конкретной местности. Глубина залегания зависит от геологического строения и рельефа и колеблется от нуля до десятков и даже сотен метров.
Значительное влияние на уровень грунтовых вод оказывает хозяйственная деятельность человека. Сооружение водохранилищ, орошение, обводнение земель снижают глубину их залегания, а отбор воды увеличивает ее.
Артезианские воды
Артезианские воды – это напорные подземные воды, залегающие в водоносных горизонтах. Название этих вод происходит от древнеримского города Артезиум, где в период средневековья были сооружены первые артезианские скважины.
Характерные признаки артезианских вод:
- залегают глубже горизонта грунтовых вод
- область питания, создания напора и область их распространения не совпадают и зачастую существенно удалены друг от друга
- в условиях вскрытия водоносного горизонта скважиной, уровень воды в ней поднимается выше кровли горизонта
- по сравнению с грунтовыми водами, режим артезианских вод более стабилен, менее подвержен сезонным колебаниям; температура вод с глубиной увеличивается
- артезианские воды намного меньше, чем грунтовые, подвержены загрязнениям, так как перекрываются водоупорными породами
Важнейшая отличительная черта артезианских вод – наличие напора, который позволяет поднять подземные воды над кровлей водоносного горизонта. Напор создается в результате гидростатического давления (веса воды), геостатической нагрузки, тектонических особенностей и криогенных явлений.
Напорные водоносные горизонты, расположенные в виде этажей и разделенные водоупорными слоями, формируют артезианские бассейны подземных вод. Глубина залегания артезианских вод очень сильно колеблется; большинство артезианских скважин имеет глубину 100-300 м. Самый масштабный из известных артезианских водоносных горизонтов расположен в Австралии – это Большой Артезианский бассейн, глубина которого достигает 3000 м.
Химический состав артезианских вод зависит от химического состава пород в этой местности. Именно по составу артезианской воды ученые определяют особенности происходивших на планете геологических процессов.
Степень минерализации зависит от глубины залегания воды. В верхней части артезианского бассейна источники слабоминерализованные по причине их опреснения из-за проникающих осадков. На глубине интенсивность водообмена снижена, следовательно, вода здесь высокоминерализованная.
Артезианская вода – это самый чистый вид воды, который встречается в природе. Они располагаются гораздо глубже грунтовых, поэтому практически не подвержены природному и антропогенному воздействию. Именно поэтому артезианские воды – идеальный источник питьевого водоснабжения населения и именно артезианскую воду предлагает волгоградцам и волжанам компания «ВОДА-КРИСТАЛЬНАЯ».
