Происхождение, типы и геологическая деятельность подземных вод.

Подземные воды (англ. underground waters) - воды, находящиеся в толщах горных пород верхней части земной коры в жидком, твёрдом и парообразном состоянии. Подземные воды являются частью водных ресурсов. В областях существования подземных вод температура колеблется от -93 до 1200°С, давление - от нескольких до 3000 МПа. В зависимости от характера пустот водовмещающих пород подземные воды делятся на: поровые - в песках, галечниках и других обломочных породах; трещинные (жильные) - в скальных породах (гранитах, песчаниках); карстовые (трещинно-карстовые) - в растворимых породах (известняках, доломитах, гипсах и др.).

Подземные воды, перемещающиеся под влиянием силы тяжести, называются гравитационными или свободными водами, в отличие от связанных вод (гигроскопические, плёночные, капиллярные и кристаллизационные воды). Слои горных пород, насыщенные гравитационной водой, образуют водоносные горизонты, или пласты, составляющие водоносные комплексы, горные породы которых обладают различной степенью влагоёмкости, водопроницаемости и водоотдачи.

Первый от поверхности Земли постоянно существующий безнапорный водоносный горизонт называется горизонтом грунтовых вод. Непосредственно над их поверхностью (зеркалом грунтовых вод) распространены капиллярные воды, которые могут быть подвешенными, т.е. несообщающимися с зеркалом грунтовых вод. Всё пространство от поверхности Земли до зеркала грунтовых вод называется зоной аэрации, в которой происходит просачивание вод с поверхности. В зоне аэрации на отдельных разобщённых прослоях пород, обладающих меньшей фильтрационной способностью, в период питания грунтовых вод могут образовываться временные, или сезонные, скопления подземных вод, называющиеся верховодкой.

Глубина залегания грунтовых вод зависит от географических условий, закономерно изменяющихся от полюсов к экватору. В Европейской части Pоссии средняя глубина зеркала грунтовых вод постепенно увеличивается с севера на юг (в зоне тундр - близ поверхности, в средней полосе - несколько метров, на юге - несколько десятков метров). Нижняя граница грунтовых вод располагается на глубине более 10-12 км. Водоносные горизонты, залегающие ниже грунтовых вод, отделяются от них пластами водонепроницаемых (водоупорных) или слабопроницаемых пород и называются горизонтами межпластовых вод. Они обычно находятся под гидростатическим давлением (артезианские воды), реже имеют свободную поверхность - безнапорные воды. Область питания межпластовых вод находится в местах выхода водовмещающих пород на дневную поверхность (или в местах их неглубокого залегания); питание происходит также и путём перетекания воды из других водоносных горизонтов.

Подземные воды - природные растворы, содержащие свыше 60 химических элементов (в наибольших количествах - К, Na, Ca, Mg, Fe, Cl, S, С, Si, N, О, Н), а также микроорганизмы (окисляющие и восстанавливающие различные вещества). Как правило, подземные воды насыщены газами (CO2, О2, N2, С2H2 и др.). По степени минерализации подземные воды подразделяют (по В. И. Вернадскому) на пресные (до 1 г/л.), солоноватые (от 1 до 10 г/л.), солёные (от 10 до 50 г/л.) и подземные рассолы (свыше 50 г/л.); в более поздних классификациях к подземным рассолам относят воды с минерализацией свыше 36 г/л. В зависимости от температуры (°С) различают: переохлаждённые подземные воды (ниже 0), холодные (от 0 до 20), тёплые (от 20 до 37), горячие (от 37 до 50), весьма горячие (от 50 до 100) и перегретые (свыше 100).

По происхождению выделяется несколько типов подземных вод. Инфильтрационные воды образуются благодаря просачиванию с поверхности Земли дождевых, талых и речных вод. По составу они преимущественно гидрокарбонатно-кальциевые и магниевые. При выщелачивании гипсовых пород формируются сульфатно-кальциевые, а при растворении соленосных - хлоридно-натриевые воды. Конденсационные подземные воды образуются в результате конденсации водяных паров в порах или трещинах пород. Седиментационные воды формируются в процессе геологического осадкообразования и обычно представляют собой изменённые захороненные воды морского происхождения (хлоридно-натриевые, хлоридно-кальциево-натриевые и др.). К ним же относятся погребённые рассолы солеродных бассейнов, а также ультрапресные воды песчаных линз в моренных отложениях. Воды, образующиеся из магмы при её кристаллизации и при метаморфизме горных пород, называются магматогенными или ювенильными водами.

Один из показателей природной обстановки формирования подземных вод - состав растворённых и свободно выделяющихся газов. Для верхних водоносных горизонтов с окислительной обстановкой характерно присутствие кислорода, азота, для нижних частей разреза, где преобладает восстановительная среда, типичны газы биохимического происхождения (сероводород, метан). В очагах интрузий и термометаморфизма распространены воды, насыщенные углекислым газом (углекислые воды Кавказа, Памира, Забайкалья). У кратеров вулканов встречаются кислые сульфатные воды (т.н. фумарольные термы). Во многих водонапорных системах, которыми являются часто крупные артезианские бассейны, выделяют три зоны, различающиеся степенью интенсивности водообмена с поверхностными водами и составом подземных вод. Верхние и краевые части бассейнов заняты обычно инфильтрационными пресными водами зоны активного водообмена или активной циркуляции. В центральных глубоких частях бассейнов выделяется зона замедленного водообмена или застойного режима, где распространены высокоминерализованные воды. В промежуточной зоне относительно замедленного или затруднённого водообмена развиты смешанные воды различного состава.

Многие качественные и количественные показатели параметров подземных вод (уровня, напора, расходов, химического и газового составов, температуры и др.) подвергаются кратковременным, многолетним и вековым изменениям, которые определяют режим подземных вод. Последний отражает процесс формирования подземных вод во времени и на различных территориях под влиянием естественных (климатических, гидрологических, геологических, гидрогеологических) и техногенных факторов. Наибольшие колебания показателей режима происходят при неглубоком залегании подземных вод.

Закономерности распространения подземных вод зависят от многих геологических и физико-географических особенностей территории. В пределах платформ и краевых прогибов развиты артезианские бассейны и склоны (на территории Pоссии, - Западносибирский артезианский бассейн, Московский артезианский бассейн, Прибалтийский артезианский бассейн). На платформах в районах поднятий докембрийского кристаллического фундамента (Украинский щит, Анабарский массив и др.) и в горноскладчатых областях развиты подземные воды трещинного типа. Своеобразные гидрогеологические условия, определяющие характер циркуляции и состав подземных вод, создаются в областях развития многолетнемёрзлых горных пород, где формируются надмерзлотные, межмерзлотные и подмерзлотные воды.

Подземные воды являются полезным ископаемым, запасы которого в отличие от других видов полезных ископаемых возобновимы в процессе эксплуатации. Площади водоносных горизонтов и их комплексов, в пределах которых имеются условия для отбора подземных вод определённого состава, отвечающего установленным кондициям, в количестве, достаточном для экономически целесообразного их использования, называется месторождениями подземных вод. По характеру использования подземные воды в Pоссии подразделяются на 4 вида: питьевые и технические, применяемые для хозяйственно-питьевого и производственно-технического водоснабжения, орошения земель и обводнения пастбищ; лечебные минеральные воды, используемые в бальнеологических целях и в качестве столовых напитков; теплоэнергетические (включая пароводяные смеси) - для теплоснабжения промышленных, сельскохозяйственных и гражданских объектов, а в отдельных случаях - и для выработки электроэнергии; промышленные воды - для извлечения из них ценных компонентов. В ряде случаев подземные воды одновременно являются минеральными и теплоэнергетическими, промышленными и теплоэнергетическими, в связи с чем они рассматриваются как комплексное полезное ископаемое. Месторождения пресных и солоноватых вод, используемых для хозяйственно-питьевого водоснабжения и орошения, подразделяются на основные типы: месторождения речных долин, артезианских бассейнов, конусов выноса предгорных шлейфов и межгорных впадин, ограниченных по площади структур или массивов трещинных и трещинно-карстовых пород, тектонических нарушений, песчаных массивов пустынь и полупустынь, надморенных и межморенных водоледниковых отложений, областей развития многолетнемёрзлых пород.

Атмосферные осадки, попадая на земную поверхность, разделяются обыкновенно на три неравные части. Одна часть течет прямо по поверхности и образует ручьи, реки и озера: другая - испаряется, возвращается снова в атмосферу и отчасти расходуется организмами; третья - поглощается почвой, проникает на разную глубину внутрь земной коры и служит основным источником питания подземных вод. В целом подземными водами называются воды, находящиеся в горных породах в жидком, твердом и газообразном состоянии.

Подземные воды играют существенную роль в геологическом развитии земной коры. Их чрезвычайно широкое распространение и подвижность приводят к постоянному взаимодействию с горными породами и к перераспределению вещества в земной коре. Прежде всего геологическая деятельность подземных вод проявляется в карстовых явлениях, суффозии и явлениях, связанных с многолетнемерзлыми породами.

Карстовые явления связаны с выщелачиванием подземными водами карбонатных и других растворимых пород. Выщелачивание обычно начинается с поверхности. Образуется воронка, затем глубокие борозды, или карры. В дальнейшем выщелачивание проникает вглубь. В результате на дне карра образуется нечто вроде природного колодца, в который устремляется вода. Такие колодцы называются понорами. В конечном итоге в горных породах образуются многочисленные каналы и пещеры, часто поглощающие целые ручьи и реки (рис. 1).

Классическим примером развития карста считается плато Карст в Югославии, с которым связано название этого явления. Плато Карст -каменная пустыня, поражающая своим унылым видом. Здесь нет ни воды, ни зелени. Поверхность его покрыта трещинами, ямами, рытвинами, воронками. Есть тут реки, то текут они под землей в закрытых руслах. Подземные воды не только выщелачивают горные породы, но при благоприятных условиях отлагают растворенные вещества, создавая разнообразные натечные образования: сталактиты и сталагмиты. Сталактиты представляют собой удлиненные, растущие вниз от кровли пещеры сосульки, состоящие чаще всего из кальцита. Сталагмиты, наоборот, растут вверх, образуя более толстые натечные формы (см. рис.1).

Кроме натечных форм подземные воды отлагают минеральные вещества в пустотах рыхлых пород, цементируя их. В результате цементации образуются новые породы: песчаники, конгломераты, брекчии и др.

Наряду с химическим взаимодействием с горными породами подземные воды производят и механический вынос из горных пород мелких минеральных частиц; этот процесс называется суффозией. Процессы суффозии приводят, в частности, к возникновению оползней. Оползни -это передвижения масс горных пород вниз по склону под влиянием силы тяжести (рис. 2).