Серия
КЛАССИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТСКИЙ
УЧЕБНИК
основана в 2002 году по инициативе ректора
М Г У им. М.В. Ломоносова
а к а д е м и к а Р А Н В.А. С а д о в н и ч е г о
и посвяшена
250-летию
Московского университета
http://geoschool.web.ru
КЛАССИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТСКИЙ У Ч Е Б Н И К
Редакционный совет серии
Председатель совета
ректор Московского университета
В.А. С а д о в н и ч и й
Члены совета:
Виханский О . С , Голиченков А.К.,|Гусев М.В.|
А о б р е н ь к о в В.И., Д о н ц о в АТИ.,'~~
Засурский Я.Н., З и н ч е н к о Ю . П . (ответственный секретарь),
Камзолов А . И . (ответственный секретарь),
Карпов С П . , Касимов Н . С , Колесов В.П.,
А о б о д а н о в А . П . , Л у н и н В . В . , [ А у п а н о в О.Б.|, М е й е р М . С . ,
М и р о н о в В.В. ( з а м е с т и т е л ь п р е д с е д а т е л я ) ,
М и х а л е в А . В . , М о и с е е в Е.И., П у ш а р о в с к и й А . Ю . ,
Раевская О . В . , Р е м н е в а М . Л . , Р о з о в Н.Х.,
Салецкий A . M . (заместитель председателя),
С у р и н А . В . , Т е р - М и н а с о в а С.Г.,
Т к а ч у к В.А., Т р е т ь я к о в Ю . А . , Т р у х и н В . И . ,
Т р о ф и м о в В.Т. ( з а м е с т и т е л ь п р е д с е д а т е л я ) ,
Ш о б а С.А.
http://geoschool.web.ru
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова
В.А. Всеволожский
ГИДРОГЕОЛОГИИ
2-е издание, п е р е р а б о т а н н о е и дополненное
Допущено
Министерством
образования
и науки
Российской
в качестве учебника для студентов
высших учебных
обучающихся
по направлению
подготовки
«Геология»
и
и инженерная геология»,
«Экологическая
«Гидрогеология
«Гидрогеология»,
«Геоэкология»
Издательство
Московского университета
2007
http://geoschool.web.ru
Федерации
заведений,
специальностям
геология»,
УДК 556.3
Б Б К 26.35
В 84
Печатается по решению Ученого совета
Московского университета
Рецензенты:
Институт водных проблем РАН (профессор И.С. Зекцер);
экологический факультет Российского университета дружбы народов
(профессор А.П. Хаустов);
профессор Н.И. Алексеевский
(зав. кафедрой географического факультета МГУ)
В 84
Всеволожский В.А.
О с н о в ы гидрогеологии: У ч е б н и к . — 2 - е изд., перераб. и
доп. — М.: И з д - в о М Г У , 2007. — 448 с , и л л . — ( К л а с с и ч е ­
ский университетский учебник).
I S B N 978-5-211-05403-5
В учебнике рассматриваются состав и строение подземной гидросферы,
типы подземных вод и условия их формирования, принципы гидрогеоло­
гического районирования и основные типы гидрогеологических районов,
проблемы использования и охраны подземных вод: пресных, минеральных
лечебных, промышленных и теплоэнергетических, а также методы поле­
вых гидрогеологических работ, широко применяемые при различных видах
исследований и изысканий.
Для студентов, обучающихся по направлению «Геология», может и с ­
пользоваться при чтении курса «Гидрогеология» («Общая гидрогеология»)
студентам специальностей «Гидрология» и «Геоэкология» географических
факультетов университетов, а также для студентов, обучающихся по специ­
альности «Поиски и разведка подземных вод и инженерно-геологические
изыскания» технических университетов.
УДК 556.3
ББК 26.35
I S B N 978-5-211-05403-5
© В.А. Всеволожский, 2007
© Издательство Московского университета, 2007
© МГУ им. М.В. Ломоносова, художественное
оформление, 2007
http://geoschool.web.ru
ПРЕДИСЛОВИЕ
Уважаемый
читатель!
Вы о т к р ы л и о д н у из з а м е ч а т е л ь н ы х к н и г , и з д а н н ы х в с е р и и
« К л а с с и ч е с к и й у н и в е р с и т е т с к и й у ч е б н и к » , п о с в я щ е н н о й 250-ле­
тию М о с к о в с к о г о университета. С е р и я включает с в ы ш е 150 учеб­
н и к о в и учебных п о с о б и й , р е к о м е н д о в а н н ы х к и з д а н и ю У ч е н ы м и
советами ф а к у л ь т е т о в , р е д а к ц и о н н ы м с о в е т о м с е р и и и и з д а в а е ­
мых к ю б и л е ю по р е ш е н и ю У ч е н о г о совета М Г У .
М о с к о в с к и й у н и в е р с и т е т всегда с л а в и л с я с в о и м и п р о ф е с с о р а ­
ми и п р е п о д а в а т е л я м и , в о с п и т а в ш и м и не о д н о п о к о л е н и е студен­
тов, в п о с л е д с т в и и в н е с ш и х з а м е т н ы й в к л а д в р а з в и т и е н а ш е й
страны, с о с т а в и в ш и х гордость о т е ч е с т в е н н о й и м и р о в о й н а у к и ,
культуры и о б р а з о в а н и я .
В ы с о к и й у р о в е н ь о б р а з о в а н и я , к о т о р о е дает М о с к о в с к и й у н и ­
верситет, в п е р в у ю очередь обеспечивается в ы с о к и м у р о в н е м н а ­
писанных выдающимися учеными и педагогами учебников и
учебных п о с о б и й , в к о т о р ы х сочетаются к а к глубина, т а к и д о с ­
тупность и з л а г а е м о г о м а т е р и а л а . В э т и х к н и г а х а к к у м у л и р у е т с я
б е с ц е н н ы й о п ы т м е т о д и к и и методологии п р е п о д а в а н и я , к о т о р ы й
становится д о с т о я н и е м не т о л ь к о М о с к о в с к о г о университета, н о
и других у н и в е р с и т е т о в Р о с с и и и всего мира.
И з д а н и е с е р и и « К л а с с и ч е с к и й у н и в е р с и т е т с к и й учебник» н а ­
г л я д н о д е м о н с т р и р у е т тот в к л а д , к о т о р ы й в н о с и т М о с к о в с к и й
университет в к л а с с и ч е с к о е у н и в е р с и т е т с к о е о б р а з о в а н и е в н а ­
шей стране и н е с о м н е н н о служит его р а з в и т и ю .
Р е ш е н и е э т о й б л а г о р о д н о й задачи б ы л о б ы н е в о з м о ж н ы м без
активной п о м о щ и со с т о р о н ы издательств, п р и н я в ш и х участие в
издании книг серии «Классический университетский учебник».
Мы р а с ц е н и в а е м это к а к поддержку и м и п о з и ц и и , к о т о р у ю з а н и ­
мает М о с к о в с к и й у н и в е р с и т е т в в о п р о с а х н а у к и и о б р а з о в а н и я .
Это с л у ж и т т а к ж е с в и д е т е л ь с т в о м того, что 2 5 0 - л е т н и й ю б и л е й
М о с к о в с к о г о университета — в ы д а ю щ е е с я с о б ы т и е в ж и з н и всей
нашей с т р а н ы , м и р о в о г о о б р а з о в а т е л ь н о г о сообщества.
Ректор Московского
университета
академик РАН, профессор
http://geoschool.web.ru
В.А.
Садовничий
ПРЕДИСЛОВИЕ К ПЕРВОМУ ИЗДАНИЮ
Настоящий учебник составлен по материалам лекционного курса «Гидро­
геология» («Общая гидрогеология»), который читается автором более 35 лет
для студентов III курса специальности «Гидрогеология, инженерная геология
и геокриология» (0804) геологического факультета Московского универси­
тета. Содержание учебника максимально ориентировано на рассмотрение
общих гидрогеологических понятий, определений, наиболее общих схем и
закономерностей формирования подземных вод, знание которых необхо­
димо для освоения последующих курсов учебного плана: «Гидрогеохимия»,
«Гидрогеодинамика», «Поиски и разведка подземных вод» и др.
Содержание учебника (размеры глав, изложение материала и т.д.) учиты­
вает также тот факт, что студенты кафедры инженерной геологии и охраны
геологической среды и кафедры геокриологии геологического факультета
МГУ в соответствии с учебным планом в последующем не слушают курсы
«Поиски и разведка подземных вод» и «Региональная гидрогеология».
При написании учебника использованы имеющиеся учебники и учебные
пособия по курсу «Общая гидрогеология» и ряду других дисциплин (A.M. Ов­
чинников, O.K. Ланге, Е.М. Сергеев, П.П. Климентов, Г.Я. Богданов, И.К. Гавич, В.М. Шестаков, Д.М. Кац, Н.Н. Романовский, В.А. Кирюхин и др.), спра­
вочники и справочные руководства, научные монографии («Гидрогеология
СССР», «Основы гидрогеологии», «Гидрогеохимия СССР» и др.) и другие
материалы.
Главы 4 и 15 учебника написаны кандидатом геолого-минералогических
наук М.А. Всеволожской.
При подготовке учебника к изданию использован ряд ценных замечаний
и советов, полученных от рецензентов: проф. И.К. Гавич, проф. И.С. Зекцера, проф. В.М. Кононова, которым автор приносит свою искреннюю благо­
дарность.
При подготовке рукописи учебника к изданию значительная работа была
выполнена сотрудниками кафедры гидрогеологии геологического факультета
МГУ А.С. Ботиным, Е.В. Гусевой, Р.П. Кочетковой, О.И. Масленниковой,
Т.Г. Ивановой. Автор глубоко благодарен названным товарищам и всем
сотрудникам кафедры за помощь и поддержку в работе.
Учебник «Основы гидрогеологии» выходит первым изданием. Автор
будет признателен за любые замечания и отзывы, направленные на улуч­
шение содержания учебника. Отзывы и замечания следует направлять по
адресу: 119992, Москва, ГСП-3, Ленинские горы, МГУ, геологический фа­
культет, кафедра гидрогеологии.
http://geoschool.web.ru
ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ
Первое издание учебника «Основы гидрогеологии» вышло в свет около
15 лет назад (1991 г.). В течение этого времени учебник широко использо­
вался и получил положительные оценки студентов и преподавателей не
только геологического факультета Московского государственного универ­
ситета им. М.В. Ломоносова, но и многих других университетов и вузов,
готовящих специалистов по геологическим специальностям.
Однако в настоящее время названный учебник стал практически биб­
лиографической редкостью, и имеющиеся в наличии экземпляры не обес­
печивают потребностей студентов и преподавателей даже геологического
факультета МГУ, а тем более других вузов. Кроме того, за последние деся­
тилетия произошли не только дальнейшее развитие гидрогеологической
науки, но в связи с резким изменением социально-экономического строя в
России — принципиальные изменения гидрогеологической службы страны,
ее организации, выполняемых задач и др. Эти изменения оперативно учиты­
ваются в программах соответствующих курсов, читаемых на геологическом
факультете МГУ.
Учебник «Основы гидрогеологии» (1-е и 2-е издания) составлен в соот­
ветствии с программой курса «Гидрогеология» («Общая гидрогеология»), чи­
таемого студентам специальности «Гидрогеология и инженерная геология»
(011400), но может использоваться при чтении одноименных курсов студен­
там ряда других специальностей геологического и географического факуль­
тетов университетов, а также студентам технических вузов (университетов)
специальности «Поиски и разведка подземных вод и инженерно-геологи­
ческие изыскания» (080300) и ряда других специальностей.
При подготовке учебника ко 2-му изданию существенно переработаны и
дополнены, в частности, главы 2, 4, 7, 8, 9, 10, 13, 14, 16 и др. В соответст­
вии с действующей программой читаемого курса в учебник включен новый
раздел «Методы полевых гидрогеологических исследований». При подго­
товке текста учтены замечания и пожелания, поступившие от студентов и
преподавателей геологического факультета МГУ и других вузов, которым
автор приносит искреннюю благодарность. Автор считает своим приятным
долгом выразить особую благодарность за замечания и советы профессо­
рам И.С. Зекцеру и В.М. Швецу, а также сотрудникам кафедры гидрогеоло­
гии геологического факультета МГУ С.А. Брусиловскому, Р.П. Кочетковой,
М.С. Орлову, К.Е. Питьевой, И.Ф. Фиделли, В.М. Шестакову и Р.С. Штенгелову.
При подготовке рукописи к изданию большую помощь оказали сотрудники
кафедры гидрогеологии Е.С. Максимова, А.Ю. Соломко и аспирант Д.В. Гон­
чаров, которым автор приносит свою искреннюю благодарность.
Особую благодарность и признательность автор выражает своей жене —
кандидату геолого-минералогических наук Марине Александровне Всево­
ложской, без помощи которой просто не могло бы состояться ни первое ни
второе издания этого учебника.
http://geoschool.web.ru
Введение
Гидрогеология, согласно большинству существующих определе­
н и й , является наукой, которая изучает п о д з е м н ы е воды планеты:
з а к о н о м е р н о с т и их р а с п р о с т р а н е н и я в з е м н о й коре, условия зале­
гания и д в и ж е н и я , их свойства и состав, взаимодействие с г о р н ы ­
ми породами, а также условия и в о з м о ж н о с т и их хозяйственного
и с п о л ь з о в а н и я . Более п р а в и л ь н о считать, что гидрогеология к а к
подразделение наук естественного ц и к л а изучает п о д з е м н у ю часть
гидросферы планеты (подземную гидросферу — Ф . П . Саваренский,
М . Л . О в ч и н н и к о в , Е.В. П и н н е к е р и д р у г и е , г и д р о г е о с ф е р у —
Н . И . П л о т н и к о в ) , з а к о н ы ее строения и развития, процессы, п р о ­
исходящие в ней в естественных условиях и в условиях и н т е н с и в ­
ного а н т р о п о г е н н о г о воздействия.
В том и другом случае основным объектом исследования гидрогео­
логии являются подземные воды (основной элемент гидросферы),
особенности которого определяют содержание и методологию науки.
1. Подземные воды являются геологическим объектом, изучение
которого м е т о д о л о г и ч е с к и н е п р а в и л ь н о , а в ряде случаев и н е в о з ­
м о ж н о п р о в о д и т ь в отрыве от и с с л е д о в а н и я г о р н ы х пород, г е о л о ­
гических структур з е м н о й к о р ы , их с т р о е н и я и и с т о р и и р а з в и т и я ,
в о т р ы в е от г е о л о г и ч е с к и х п р о ц е с с о в , п р о и с х о д я щ и х в з е м н о й
коре и м а н т и и . А к а д е м и к В.И. В е р н а д с к и й , о ц е н и в а я р о л ь воды
(в том числе п о д з е м н о й ) в и с т о р и и р а з в и т и я п л а н е т ы ( в о з м о ж н о ,
сейчас н у ж н о говорить о всех планетах С о л н е ч н о й с и с т е м ы ) , с ч и ­
тал, что «...нет п р и р о д н о г о тела, к о т о р о е могло б ы с р а в н и т ь с я с
н е й ( в о д о й ) п о в л и я н и ю н а ход о с н о в н ы х с а м ы х г р а н д и о з н ы х
геологических п р о ц е с с о в » (1931). О т с ю д а с т а н о в и т с я о ч е в и д н о й
тесная (взаимная) связь гидрогеологии с геологией, геохимией,
м и н е р а л о г и е й и д р у г и м и н а у к а м и геологического цикла.
2. П о д з е м н ы е воды т а к ж е п р е д с т а в л я ю т с о б о й в о д н ы й объект,
я в л я я с ь частью е д и н о й г и д р о с ф е р ы З е м л и . М о ж н о считать, что
все м о л е к у л ы в о д ы , н а х о д я щ и е с я в а т м о с ф е р е , г о р н ы х породах,
ж и в о м веществе, или я в л я л и с ь в о п р е д е л е н н ы й п е р и о д своей и с ­
т о р и и частью е д и н о й г и д р о с ф е р ы З е м л и , и л и п р и о п р е д е л е н н ы х
http://geoschool.web.ru
Введение
9
условиях могут б ы т ь в к л ю ч е н ы в состав водной о б о л о ч к и п л а н е ­
ты. Н е о б х о д и м о с т ь изучения и и с п о л ь з о в а н и я п р о ц е с с о в водооб­
мена между п о д з е м н о й частью г и д р о с ф е р ы и ее п о в е р х н о с т н о й
частью, а также атмосферой планеты определяет тесную связь
гидрогеологии с м е т е о р о л о г и е й , гидрологией с у ш и , о к е а н о л о г и е й
и другими н а у к а м и этого цикла.
3. Как часть водной оболочки планеты п о д з е м н ы е воды харак­
теризуются в а ж н е й ш и м свойством воды — п о д в и ж н о с т ь ю , которая
сохраняется (в ж и д к о м и г а з о о б р а з н о м с о с т о я н и я х ) п р и о п р е д е ­
л е н н ы х условиях до з н а ч и т е л ь н ы х глубин геологического разреза.
В связи с э т и м нельзя изучать п о д з е м н ы е воды, не изучая к о л и ­
чества и ф о р м ы их д в и ж е н и я . В то же время в отличие, н а п р и м е р ,
от п о в е р х н о с т н ы х водных объектов в гидрогеологии п р а к т и ч е с к и
отсутствуют н е п о с р е д с т в е н н ы е и н с т р у м е н т а л ь н ы е методы о ц е н к и
д в и ж е н и я п о д з е м н ы х вод в условиях их естественного залегания в
земной к о р е . О г р а н и ч е н н о могут и с п о л ь з о в а т ь с я г е о ф и з и ч е с к и е
методы о ц е н к и и и н д и к а т о р н ы е о п ы т ы , условия п р и м е н е н и я к о ­
торых и т о ч н о с т ь получаемых результатов не могут удовлетворить
потребности науки. Лабораторные эксперименты, связанные с
изучением д в и ж е н и я воды в горных породах, п р а к т и ч е с к и всегда
несоизмеримы с реальными условиями по масштабу и времени
протекания процессов. В связи с этим количественные оценки
движения подземных вод (скорости д в и ж е н и я , расходы подземных
потоков, о б ъ е м ы воды, с о д е р ж а щ е й с я в л и т о с ф е р е ) в ы п о л н я ю т с я
п р е и м у щ е с т в е н н о р а с ч е т н ы м и м е т о д а м и или путем с п е ц и а л ь н о г о
м о д е л и р о в а н и я п р о ц е с с о в д в и ж е н и я п о д з е м н ы х вод. Ш и р о к о е
использование расчетных методов и моделирования определяет
тесную связь гидрогеологии с н а у к а м и м а т е м а т и ч е с к о г о ц и к л а , в
том числе с в ы ч и с л и т е л ь н о й м а т е м а т и к о й ( Э В М ) и н е к о т о р ы м и
разделами (механика с п л о ш н ы х сред, гидравлика, т е р м о д и н а м и к а
и др.) ф и з и к и .
4. П о д з е м н ы е воды во всех случаях без и с к л ю ч е н и я представ­
ляют с о б о й не п р о с т о с о в о к у п н о с т ь м о л е к у л Н 0 , а с л о ж н ы е
природные системы, содержащие в растворенном, коллоидном,
свободном с о с т о я н и и р а з л и ч н ы е м и н е р а л ь н ы е вещества, о р г а н и ­
ческие с о е д и н е н и я и г а з ы . П р и э т о м с о д е р ж а н и е х и м и ч е с к и х
элементов в п о д з е м н ы х водах включает п р а к т и ч е с к и всю п е р и о ­
дическую систему М е н д е л е е в а п л ю с с л о ж н о п о с т р о е н н ы е к о м п ­
лексы м и н е р а л ь н ы х , о р г а н и ч е с к и х и о р г а н о м и н е р а л ь н ы х с о е д и ­
н е н и й . К о л и ч е с т в е н н о е с о д е р ж а н и е тех и л и и н ы х х и м и ч е с к и х
э л е м е н т о в в з а в и с и м о с т и от их р а с п р о с т р а н е н и я в л и т о с ф е р е ,
типа п о д з е м н ы х вод и других ф а к т о р о в м о ж е т м е н я т ь с я от н и ч ­
тожно м а л ы х з н а ч е н и й (следы п р и с у т с т в и я э л е м е н т а ) д о с о т е н
2
http://geoschool.web.ru
Введение
10
граммов в 1 л раствора. Н е о б х о д и м о с т ь и с с л е д о в а н и я х и м и ч е с к о й
п р и р о д ы объекта, условий и з а к о н о м е р н о с т е й ее ф о р м и р о в а н и я
определяет т е с н у ю связь гидрогеологии с х и м и е й , ф и з и ч е с к о й и
коллоидной химией, химией органических соединений, а также с
м и к р о б и о л о г и е й и б и о х и м и е й при н е о б х о д и м о с т и и с с л е д о в а н и я
и о ц е н к и роли " ж и в о г о в е щ е с т в а " в процессах ф о р м и р о в а н и я х и ­
м и ч е с к о г о состава п о д з е м н ы х вод.
5. В а ж н е й ш е й о с о б е н н о с т ь ю объекта и с с л е д о в а н и я г и д р о г е о ­
логии является ч р е з в ы ч а й н о е р а з н о о б р а з и е видов и с п о л ь з о в а н и я
п о д з е м н ы х вод. Во-первых, по в ы р а ж е н и ю а к а д е м и к а А . П . К а р ­
п и н с к о г о (1931), « п о д з е м н ы е воды — это самое д р а г о ц е н н о е п о ­
л е з н о е и с к о п а е м о е » , п р и ч е м в о з м о ж н о с т и и с п о л ь з о в а н и я этого
ископаемого также чрезвычайно широки: использование пресных
подземных вод для питьевого, хозяйственного и другого водоснаб­
ж е н и я , м и н е р а л ь н ы х (лечебных) вод, м и н е р а л ь н ы х п р о м ы ш л е н ­
ных — для получения ряда химических веществ, термальных — для
получения э л е к т р о э н е р г и и и т е п л о ф и к а ц и и . Во-вторых, изучение
подземных вод представляет одну из в а ж н е й ш и х задач при м е л и о ­
ративных работах, целью которых является с о з д а н и е о п т и м а л ь н о ­
го водного р е ж и м а на с е л ь с к о х о з я й с т в е н н ы х землях. В-третьих,
изучение подземных вод является составной частью геологических
исследований при поисках, разведке и эксплуатации определенных
типов месторождений полезных ископаемых, в том числе н е ф т я н ы х
и газовых. В-четвертых, изучение п о д з е м н ы х вод н е о б х о д и м о для
гидрогеологического о б о с н о в а н и я различных видов строительства,
прежде всего г и д р о т е х н и ч е с к о г о , п р о м ы ш л е н н о г о , городского и
др. В-пятых (в н а с т о я щ е е время это н а п р а в л е н и е стало о д н и м из
в а ж н е й ш и х , а в д а л ь н е й ш е м его з н а ч е н и е будет возрастать е щ е
б о л ь ш е ) , гидрогеологические и с с л е д о в а н и я я в л я ю т с я в а ж н е й ш е й
задачей при р е ш е н и и в о п р о с о в о х р а н ы п р и р о д ы , с о б с т в е н н о п о д ­
земных вод как природного объекта, охраны л а н д ш а ф т о в , поверх­
н о с т н ы х вод и др.
Разнообразие видов практического использования подземных
вод о п р е д е л и л о тот ф а к т , что в т е ч е н и е д о с т а т о ч н о д л и т е л ь н о г о
в р е м е н и , о с о б е н н о в т е ч е н и е X I X и X X вв., гидрогеология р а з в и ­
валась г л а в н ы м о б р а з о м к а к п р и к л а д н а я наука, т е с н о с в я з а н н а я
с решением конкретных вопросов хозяйственной деятельности
человека. Во второй п о л о в и н е X X в. в с в я з и с в о з р а с т а ю щ и м и
масштабами и и н т е н с и в н о с т ь ю хозяйственной деятельности, в том
числе с в я з а н н о й с и с п о л ь з о в а н и е м г е о л о г и ч е с к о й с р е д ы и п о д ­
з е м н ы х вод к а к ее в а ж н е й ш е г о э л е м е н т а , р е з к о у с и л и л а с ь н е о б х о ­
димость разработки фундаментальных теоретических положений
гидрогеологии, в а ж н о с т ь которых, с о д н о й с т о р о н ы , с в я з а н а с за­
дачами рационального комплексного использования подземной
http://geoschool.web.ru
Введение
11
гидросферы, разработки долгосрочных прогнозов в л и я н и я челове­
ка на подземную часть гидросферы и в недалеком будущем р е ш е ­
нием задач управления п о д з е м н о й гидросферой планеты (прежде
всего верхней ее ч а с т ь ю , в к о т о р о й протекает х о з я й с т в е н н а я д е я ­
тельность человека). С другой с т о р о н ы , необходимость разработки
теоретических вопросов науки определяется задачами познания
о с н о в н ы х з а к о н о в развития п о д з е м н о й г и д р о с ф е р ы п л а н е т ы , к о ­
личественной оценки природных процессов, протекающих в ней,
и роли этих п р о ц е с с о в в геологической и с т о р и и З е м л и , геохимии
г о р н ы х п о р о д з е м н о й к о р ы , ф о р м и р о в а н и и (и р а з р у ш е н и и ) , а
следовательно, р а з м е щ е н и и о п р е д е л е н н ы х в и д о в м е с т о р о ж д е н и й
полезных и с к о п а е м ы х и д р .
В соответствии с э т и м , используя п р е д с т а в л е н и я Н . И . П л о т ­
никова (1976), Е.В. П и н н е к е р а (1983), В.М. Ш е с т а к о в а (1983) и
других а в т о р о в , могут б ы т ь в ы д е л е н ы с л е д у ю щ и е т е о р е т и ч е с к и е
разделы г и д р о г е о л о г и и : 1) региональная
гидрогеология
— законо­
мерности р а с п р о с т р а н е н и я п о д з е м н ы х вод в з е м н о й коре, т и п ы
гидрогеологических структур, ф о р м и р о в а н и е различных типов под­
земных вод; 2) гидрогеодинамика — исследование законов движения
п о д з е м н ы х вод, з а к о н о м е р н о с т е й ф о р м и р о в а н и я их г и д р о д и н а ­
мического р е ж и м а и ресурсов; 3) гидрогеохимия
— исследование
законов миграции химических элементов в подземной гидросфере
и п р о ц е с с о в ф о р м и р о в а н и я х и м и ч е с к о г о состава п о д з е м н ы х вод;
4) гидрогеотермия — исследование термических свойств и процессов
теплопереноса с п о д з е м н ы м и водами; 5) палеогидрогеология
— про­
исхождение и и с т о р и я развития п о д з е м н о й г и д р о с ф е р ы , и с с л е д о ­
вание роли п о д з е м н ы х вод в геологических процессах.
В п р и к л а д н ы е разделы могут быть в к л ю ч е н ы : 1) оценка ресурсов
подземных вод — т и п ы м е с т о р о ж д е н и й п о д з е м н ы х вод, у с л о в и я
ф о р м и р о в а н и я и методы о ц е н к и ресурсов п о д з е м н ы х вод р а з н о г о
полезных ископаемых — гид­
типа; 2) гидрогеология месторождений
рогеологические методы п о и с к о в м е с т о р о ж д е н и й п о л е з н ы х и с к о ­
паемых, гидрогеологическое о б о с н о в а н и е шахтного строительства
и условий э к с п л у а т а ц и и м е с т о р о ж д е н и й р а з н о г о типа; 3) мелио­
ративная гидрогеология
— гидрогеологические исследования при
проектировании мелиоративных систем, о п т и м и з а ц и я водно-соле­
вого режима мелиорируемых земель; 4) инженерная гидрогеология —
гидрогеологические и з ы с к а н и я при проектировании и строительстве
и н ж е н е р н ы х с о о р у ж е н и й р а з л и ч н о г о типа; 5) экологическая
гидро­
геология — о х р а н а п о д з е м н ы х в о д , г и д р о г е о л о г и ч е с к и е а с п е к т ы
охраны природной (геологической) среды; 6) мониторинг подземных
водных о б ъ е к т о в — с и с т е м а т и ч е с к и е ( м н о г о л е т н и е ) н а б л ю д е н и я
за с о с т о я н и е м и и з м е н е н и е м р е ж и м а и б а л а н с а п о д з е м н ы х вод,
их состава и качества.
http://geoschool.web.ru
Введение
12
Задачи гидрогеологических исследований п о каждому из назван­
ных направлений являются достаточно ш и р о к и м и и в принципе
п о н я т н ы и з с а м о г о н а з в а н и я раздела.
Краткий очерк истории развития гидрогеологии.
Имеющиеся
н е п о л н ы е д а н н ы е свидетельствуют о т о м , что уже в 3000—2000 гг.
до н.э. на Б л и ж н е м В о с т о к е , в С р е д н е й А з и и , К и т а е и других
странах, п р е ж д е всего в з а с у ш л и в ы х р а й о н а х , п о д з е м н ы е в о д ы
и н т е н с и в н о использовались д л я питьевого и хозяйственного водо­
с н а б ж е н и я , в частности, путем сооружения достаточно глубоких и
сложных водосборных галерей, эксплуатировавших подземные
воды конусов в ы н о с а и аллювиальных о т л о ж е н и й . Р. де Уист п р и ­
водит сведения о т о м , что уже в д р е в н е м Китае существовала тех­
ника бурения и горных работ, которая п о з в о л я л а сооружать в о д о ­
з а б о р н ы е к о л о д ц ы г л у б и н о й д о 1200—1500 м, откуда п о л у ч а л и
подземные рассолы.
Первая известная работа, в которой с о б щ е ф и л о с о ф с к и х п о з и ­
ций рассматривается роль воды на планете, в т о м числе и п р о б л е ­
ма происхождения п о д з е м н ы х вод, принадлежит ф и л о с о ф у Фалесу
М и л е т с к о м у ( о к о л о V I в. д о н.э.). П о его м н е н и ю , «вода я в л я е т с я
н а ч а л о м всего, все п р о и с х о д и т и з воды и все... п р е в р а щ а е т с я в
воду». П о д з е м н а я вода образуется за счет м о р с к о й в о д ы , которая
под д е й с т в и е м ветра нагнетается в з е м н ы е недра и в результате
д а в л е н и я г о р н ы х п о р о д выходит н а п о в е р х н о с т ь з е м л и , образуя
р о д н и к и . Д р е в н е г р е ч е с к и й ф и л о с о ф П л а т о н (427—347 гг. д о н.э.)
также считал, что п р о и с х о ж д е н и е п о д з е м н ы х вод с в я з а н о с ф и л ь ­
т р а ц и е й м о р с к о й воды в берега. О д н а к о Р. де Уист со с с ы л к о й на
П.Д. К р а й н а н а п р и в о д и т с в е д е н и я о т о м , что П л а т о н в своем ф и ­
л о с о ф с к о м труде д о с т а т о ч н о т о ч н о о п и с а л к р у г о в о р о т в о д ы в
природе. Аристотель (384—322 гг. д о н.э.) считал, что п о д з е м н а я
вода ф о р м и р у е т с я г л а в н ы м о б р а з о м за счет с г у щ е н и я воздуха ( в о ­
д я н о г о пара), поступающего из недр земли (и, вероятно, с поверх­
ности). В то ж е время, по его м н е н и ю , к а к а я - т о часть п о д з е м н о й
воды может ф о р м и р о в а т ь с я за счет п р о с а ч и в а н и я д о ж д е в о й воды
через поверхность з е м л и .
Ф и л о с о ф ы Древнего Рима (Т. Лукреций К а р , А. Сенека, Г. П л и ­
н и й С т а р ш и й и др.) в т о й и л и и н о й мере и с п о л ь з о в а л и и р а з в и ­
вали представления П л а т о н а и Аристотеля о п р о и с х о ж д е н и и п о д ­
земных вод. Наиболее о б о с н о в а н н а я точка зрения была высказана
М а р к о м Витрувием П о л л и о (I в. д о н.э.). В труде «Об архитектуре»
он дал наиболее п р а в и л ь н о е (с с о в р е м е н н о й т о ч к и з р е н и я ) о б ъ я с ­
н е н и е процесса ф о р м и р о в а н и я п о д з е м н ы х вод за счет п р о с а ч и в а ­
ния (инфильтрация — инфильтрационная теория происхождения
подземных вод) атмосферных осадков, выпадающих на поверхность
http://geoschool.web.ru
Введение
13
земли. В т о ж е время и м н е отвергалась в о з м о ж н о с т ь п р о и с х о ж ­
д е н и я п о д з е м н ы х вод за счет п р о ц е с с о в к о н д е н с а ц и и в о д я н о г о
пара. Другим представителем р и м с к о й ф и л о с о ф с к о й ш к о л ы , Л у цием А н н е е м С е н е к о й (начало I в. н.э.), на о с н о в а н и и идей А р и с ­
тотеля б ы л о с ф о р м у л и р о в а н о п о л о ж е н и е о н е в о з м о ж н о с т и п р о ­
и с х о ж д е н и я п о д з е м н ы х вод за счет и н ф и л ь т р а ц и и а т м о с ф е р н ы х
осадков ( и с т о ч н и к о м п о д з е м н о й воды с ч и т а л и с ь т о л ь к о п р о ц е с с ы
конденсации водяного пара), которое принималось европейски­
ми ф и л о с о ф а м и в качестве о с н о в н о г о п о л о ж е н и я н а п р о т я ж е н и и
более 1500 лет. Н а р я д у с э т и м ф и л о с о ф ы Б л и ж н е г о В о с т о к а и
Средней Азии (районов традиционного интенсивного использо­
вания п о д з е м н ы х вод в х о з я й с т в е н н ы х целях) в С р е д н и е века в
сравнении с европейскими учеными, по-видимому, значительно
более п р а в и л ь н о и п о д р о б н о р а с с м а т р и в а л и в о п р о с ы ф о р м и р о в а ­
н и я и и с п о л ь з о в а н и я п о д з е м н ы х вод. Следует о т м е т и т ь работу
х о р е з м с к о г о м ы с л и т е л я А. а л ь - Б и р у н и (973—1048), в к о т о р о й
рассматривались в о п р о с ы д в и ж е н и я п о д з е м н ы х вод и ф о р м и р о в а ­
ния ф о н т а н и р у ю щ и х и с т о ч н и к о в (колодцев), и работу персидского
ученого М . К а р а л и ( X в.) « П о и с к и с к р ы т ы х п о д землей вод», п о ­
священную основным вопросам формирования, поисков и ис­
п о л ь з о в а н и я п о д з е м н ы х вод.
В X V I — X V I I вв. р я д е в р о п е й с к и х ученых-естествоиспытателей
(Г. А г р и к о л а (Бауэр) (1494-1555), Б. П а л и с с и (1510-1590), Р . Д е ­
карт (1596-1650), И. Кеплер (1571-1630), А. Кирхер (1601-1680)
в развитие идей д р е в н и х ф и л о с о ф о в и н а о с н о в е с и с т е м а т и з а ц и и
накапливающихся фактических данных в различной постановке
рассматривают в о п р о с ы п р о и с х о ж д е н и я п о д з е м н ы х вод и их д в и ­
жения в з е м н о й коре.
Первые количественные представления о возможности ф о р м и р о ­
вания подземных вод за счет и н ф и л ь т р а ц и и атмосферных осадков
были получены ф р а н ц у з с к и м и у ч е н ы м и П . П е р р о (1608—1680) и
Э. М а р и о т т о м (1620—1684) на о с н о в е и с с л е д о в а н и я в о д н о г о б а ­
ланса б а с с е й н а р. С е н ы . В работах П. П е р р о « П р о и с х о ж д е н и е и с ­
точников» (1674) и Э . Мариотта «Трактат о д в и ж е н и и вод» (1717)
на о с н о в а н и и и з м е р е н и я количества а т м о с ф е р н ы х о с а д к о в и р а с ­
хода р. С е н ы в створе К о р о л е в с к о г о моста в П а р и ж е б ы л о п о к а ­
зано, что р е ч н о й сток С е н ы составляет м е н е е 20% (1/6) от с у м ­
м а р н о г о к о л и ч е с т в а а т м о с ф е р н ы х о с а д к о в . Н а о с н о в а н и и этого
был сделан вывод о т о м , что за в ы ч е т о м и с п а р е н и я з н а ч и т е л ь н а я
часть в ы п а д а ю щ и х осадков (около 30%) расходуется на и н ф и л ь т р а ц и о н н о е питание подземных вод. Э. Мариотт рассматривал также
механизм просачивания атмосферных осадков, представление о
существовании водоносных и водоупорных пород, зависимость
http://geoschool.web.ru
14
Введение
дебитов и с т о ч н и к о в от количества в ы п а д а ю щ и х а т м о с ф е р н ы х
осадков и д р .
Значительный вклад в разработку важнейших направлений
гидрогеологической науки внес великий русский ученый M B . Л о ­
м о н о с о в . В работах «О слоях земных», «О р о ж д е н и и металлов от
т р я с е н и я з е м л и » и других о н с в я з ы в а л в о п р о с п р о и с х о ж д е н и я
подземных вод с количеством и просачиванием атмосферных
осадков: «...в сухие годы в о д о п р и т о к и в рудниках не т а к одолева­
ют, как в дождливые...», рассматривал р а з л и ч н ы е п р о н и ц а е м о с т и
горных пород по о т н о ш е н и ю к воде, считал, что п о д з е м н а я вода
может передвигаться « в ы ж и м а н и е м или капаньем...», рассуждал о
процессах в з а и м о д е й с т в и я п о д з е м н ы х вод с г о р н ы м и п о р о д а м и :
«...распущенные м и н е р а л ы несет с собой...», «...в о н ы е р а с с е л и н ы
вступает, к а м е н н у ю м а т е р и ю в н и х оставляет т а к и м к о л и ч е с т в о м ,
что в н е с к о л ь к о в р е м е н и з а п о л н я е т все о н ы е полости...». Д а ж е
эти о г р а н и ч е н н ы е п р и м е р ы свидетельствуют о т о м , что в е л и к и й
русский у ч е н ы й - э н ц и к л о п е д и с т достаточно п о л н о представлял у с ­
ловия ф о р м и р о в а н и я подземных вод, их взаимодействие с поверх­
н о с т н ы м и и а т м о с ф е р н ы м и в о д а м и , роль п р о ц е с с о в в з а и м о д е й с т ­
вия подземных вод с м и н е р а л ь н ы м веществом горной п о р о д ы к а к
с точки з р е н и я ф о р м и р о в а н и я состава воды, т а к и п е р е н о с а м и ­
неральных веществ п о д з е м н ы м и водами и д р .
В X I X в., несмотря на работы Б. Палисси, Э. Мариотта, М . В . Л о ­
моносова и других, продолжались научные споры о происхождении
п о д з е м н ы х вод, главным о б р а з о м о роли п р о ц е с с о в и н ф и л ь т р а ц и о н н о г о п и т а н и я и к о н д е н с а ц и и в о д я н о г о пара (Л. Э л и де Б о мон, О. Ф о л ь г е р , Е. Вольни и др.). В к о н ц е X I X в. в ы ш л и работы
А. Д о б р е (1887) и И. Гааза (1885), к о т о р ы е могут рассматриваться
в к а ч е с т в е п е р в ы х у ч е б н и к о в г и д р о г е о л о г и и , хотя с а м т е р м и н
" г и д р о г е о л о г и я " в н и х не употребляется.
В 1902 г. а в с т р и й с к и м геологом Э. З ю с с о м б ы л а п р е д л о ж е н а
гипотеза ювенильного происхождения подземных вод ( ю в е н и л ь н ы е
воды) за счет п р о ц е с с о в с и н т е з а водорода и к и с л о р о д а в магма­
т и ч е с к и х расплавах ( м а н т и й н о е п р о и с х о ж д е н и е п о д з е м н ы х вод).
В 1902—1908 гг. Н . И . А н д р у с о в ы м , Г. Гефером и А . Ч . Л е й н о м н е ­
з а в и с и м о друг о т друга п р е д л о ж е н а г и п о т е з а
седиментогенного
п р о и с х о ж д е н и я п о д з е м н ы х вод за счет " з а х о р о н е н и я " м о р с к и х
вод при процессах о б р а з о в а н и я д о н н ы х о с а д к о в и их п о с л е д у ю ­
щего " о т ж а т и я " при у п л о т н е н и и и л и т и ф и к а ц и и .
Первое математическое описание движения подземных вод
(закон ф и л ь т р а ц и и ) б ы л о д а н о ф р а н ц у з с к и м и н ж е н е р о м - г и д р а в ­
л и к о м А. Д а р с и в 1856 г. на о с н о в а н и и результатов э к с п е р и м е н ­
тального изучения фильтрации воды в лабораторных условиях.
http://geoschool.web.ru
Введение
15
М о ж н о считать, что о б о с н о в а н и е этого з а к о н а п о л о ж и л о начало
исследованиям в области теории движения подземных вод и фильт­
рационных расчетов. Д а л ь н е й ш а я разработка теории гидрогеологи­
ческих расчетов осуществлялась Ж . Д ю п ю и (1857), А. Т и м о м (1887),
Ч. Слихтером (1899) и уже в X X в. Ч. Т е й с о м , М . Маскетом и в р а ­
ботах р у с с к и х у ч е н ы х Н . Е . Ж у к о в с к о г о , А.А. К р а с н о п о л ь с к о г о ,
Н.Н. П а в л о в с к о г о и д р .
В России первые систематические исследования подземных
вод с в я з а н ы с с о з д а н и е м Р о с с и й с к о й а к а д е м и и н а у к (1724) и
Геологического комитета (1882). Э к с п е д и ц и я м и А к а д е м и и наук и
Геологического комитета, а т а к ж е в результате п р а к т и ч е с к о й д е я ­
тельности, с в я з а н н о й с о р г а н и з а ц и е й в о д о с н а б ж е н и я за счет и с ­
пользования п о д з е м н ы х вод, б ы л и п о л у ч е н ы п е р в ы е с в е д е н и я о
р а с п р о с т р а н е н и и п о д з е м н ы х вод в р а з л и ч н ы х р а й о н а х с т р а н ы
( С П . К р а ш е н и н н и к о в , И . В . Мушкетов, С . Н . Н и к и т и н Г.Е. Щ у р о в ский и д р . ) ; п р и р о д н о й з о н а л ь н о с т и и связи х и м и ч е с к о г о состава
ф у н т о в ы х вод с ф и з и к о - г е о г р а ф и ч е с к и м и условиями ( В . В . Д о к у ч а ­
ев, В . Ф . З у е в , В. О п п о к о в , П.В. О т о ц к и й ) ; р а с п р о с т р а н е н и и глубо­
ких артезианских вод (Г.П. Гельмер, Г.Е. Щ у р о в с к и й , С . Н . Н и к и ­
тин и др.).
Б о л ь ш о й вклад в развитие гидрогеологии внес р у с с к и й ученый
С.Н. Н и к и т и н (1851 — 1909), которого с п о л н ы м о с н о в а н и е м м о ж н о
считать о с н о в о п о л о ж н и к о м н а п р а в л е н и я «региональная гидрогео­
логия». В его работе «Грунтовые и а р т е з и а н с к и е воды н а Русской
равнине» р а с с м а т р и в а л а с ь м е т о д и к а р е г и о н а л ь н ы х и с с л е д о в а н и й
и гидрогеологического р а й о н и р о в а н и я , о б о б щ е н ы о б ш и р н ы е с в е ­
д е н и я п о г р у н т о в ы м и а р т е з и а н с к и м водам е в р о п е й с к о й части
России, выделен р я д а р т е з и а н с к и х б а с с е й н о в этой т е р р и т о р и и .
Исключительно важное значение для развития обших пред­
ставлений о в з а и м о д е й с т в и и п о д з е м н ы х вод с м и н е р а л ь н ы м с к е ­
летом г о р н ы х п о р о д и м е л и р а б о т ы р у с с к о г о у ч е н о г о - п о ч в о в е д а
А . Ф . Л е б е д е в а (1882—1936), к о т о р ы й в п е р в ы е установил з а к о н о ­
мерности п е р е м е щ е н и я влаги в н е н а с ы щ е н н о й зоне, охарактеризо­
вал роль процессов и н ф и л ь т р а ц и и и к о н д е н с а ц и и в ф о р м и р о в а н и и
подземных вод, а т а к ж е разработал первую к л а с с и ф и к а ц и ю видов
воды в горных породах.
З н а ч и т е л ь н ы й интерес представляли результаты и с с л е д о в а н и й
кавказских минеральных вод, выполненных А.П. Герасимовым,
А.Н. Огильви, Н.Н. Славяновым, первые сведения о подземных
водах р а й о н о в р а с п р о с т р а н е н и я в е ч н о й мерзлоты, и з л о ж е н н ы е в
работе А . В . Л ь в о в а (1916), и д р .
П о с л е О к т я б р ь с к о й р е в о л ю ц и и уже в п е р в ы е годы с о в е т с к о й
власти н а ч и н а ю т б у р н о р а з в и в а т ь с я п р а к т и ч е с к и все о с н о в н ы е
http://geoschool.web.ru
Введение
16
н а п р а в л е н и я гидрогеологической науки. В 1920 г. в М о с к о в с к о й
горной академии была начата подготовка инженеров-гидрогеологов.
В 1922 г. в ы ш е л п е р в ы й учебник гидрогеологии П . Н . Ч и р в и н с к о г о .
В 1931 г. состоялся первый Всесоюзный гидрогеологический съезд,
на к о т о р о м б ы л и п р е д с т а в л е н ы и н т е р е с н ы е р а б о т ы п о о б щ и м
вопросам гидрогеологии (O.K. Ланге А.Ф.Лебедев, Ф.П. Савар е н с к и й и др.); з о н а л ь н о с т и грунтовых вод и п р и н ц и п а м г и д р о ­
геологического районирования ( П . И . Васильевский, B . C . Ильин,
А . Н . С е м и х а т о в , Р . Н . К а м е н с к и й , Н . И . Т о л с т и х и н и др.); р е г и о ­
нальной гидрогеологии ( К . И . М а к о в , Н.А. П л о т н и к о в Н . Ф . Погре­
бов, Н . С . Т о к а р е в и др.).
И с к л ю ч и т е л ь н о важное значение для развития ряда гидрогеоло­
гических идей имели работы а к а д е м и к а В.И. Вернадского. В книге
« И с т о р и я п р и р о д н ы х вод» (1935) им о б о с н о в а н в а ж н ы й тезис о
единстве п р и р о д н ы х вод З е м л и (единстве г и д р о с ф е р ы п л а н е т ы ) ;
рассмотрен ряд в а ж н ы х в о п р о с о в п р о и с х о ж д е н и я п о д з е м н ы х вод
и геологического круговорота воды; о х а р а к т е р и з о в а н ы роль воды
в геологических и геохимических процессах, в том числе в п р о ­
цессах, п р о и с х о д я щ и х в м а н т и и , и процессах взаимодействия
м а н т и й н ы х расплавов с п о р о д а м и з е м н о й к о р ы , в о п р о с ы в з а и м о ­
действия п о д з е м н ы х вод с г о р н ы м и п о р о д а м и , газами, ж и в ы м в е ­
ществом и др.
После Великой Отечественной в о й н ы в период восстановления
и развития н а р о д н о г о хозяйства с т р а н ы с о в е т с к и е гидрогеологи,
используя в ы п о л н е н н ы е ранее теоретические разработки и з н а ч и ­
тельный ф а к т и ч е с к и й материал, н а к о п л е н н ы й в результате п р е д ы ­
дущих исследований, приступили к разработке с л о ж н ы х проблем,
к о т о р ы е н а р о д н о е х о з я й с т в о с т р а н ы п о с т а в и л о перед г и д р о г е о ­
логией.
В п о с л е в о е н н ы й п е р и о д и д о н а с т о я щ е г о в р е м е н и о д н о й из
в а ж н е й ш и х проблем г и д р о г е о л о г и и я в л я е т с я п р о б л е м а и с с л е д о ­
вания закономерностей ф о р м и р о в а н и я , оценки, рационального
и с п о л ь з о в а н и я и о х р а н ы р е с у р с о в п р е с н ы х п о д з е м н ы х вод, и с ­
пользуемых для р а з л и ч н ы х в и д о в в о д о с н а б ж е н и я . Эта п р о б л е м а
как в а ж н е й ш а я т е о р е т и ч е с к а я и п р и к л а д н а я задача н а у к и б ы л а
с ф о р м у л и р о в а н а а к а д е м и к о м Ф . П . С а в а р е н с к и м в начале 40-х гг.
Д а л ь н е й ш а я ее разработка у с п е ш н о р е ш а л а с ь в работах советских
гидрогеологов М.Е. Альтовского, Н . Н . Б и н д е м а н а , Ф . М . Бочевера,
Б.И. Куделина, Ф.А. М а к а р е н к о , Н.А. П л о т н и к о в а , Н . И . П л о т н и ­
кова, Л . С . Я з в и н а и других ученых, что о б е с п е ч и л о в ы п о л н е н и е
региональной о ц е н к и ресурсов подземных вод территории страны
в целом, ее в а ж н е й ш и х а д м и н и с т р а т и в н о - э к о н о м и ч е с к и х р а й о н о в
(в р а з л и ч н ы х м а с ш т а б а х ) , р а з р а б о т к у у ч е н и я о м е с т о р о ж д е н и я х
http://geoschool.web.ru
Введение
17
пресных п о д з е м н ы х вод, с о з д а н и е м е т о д и к и их разведки и п о д ­
счета з а п а с о в , и с п о л ь з о в а н и е п о д з е м н ы х вод д л я о р г а н и з а ц и и
питьевого и хозяйственного водоснабжения. Необходимость о б о с ­
н о в а н и я гидрогеологических п р о г н о з о в в связи с с о з д а н и е м к р у п ­
ных г и д р о т е х н и ч е с к и х с о о р у ж е н и й ( п о д п о р ы у р о в н я грунтовых
вод, ф и л ь т р а ц и я в обход п л о т и н и др.), р а з р а б о т к о й и н т е н с и в н о
обводненных месторождений полезных ископаемых определила
быстрое развитие т е о р и и гидрогеологических расчетов ( д и н а м и к и
подземных вод), а также методов аналогового, а начиная с 70-х гг.
численного моделирования с использованием Э В М . В развитие
этого н а п р а в л е н и я з н а ч и т е л ь н ы й вклад в н е с л и труды советских
ученых Ф . М . Бочевера, Н . Н . В е р и г и н а , И . К . Гавич, Н . К . Г и р и н с к о г о , И . Е . Ж е р н о в а , Г . Н . К а м е н с к о г о , А.А. К р а с н о п о л ь с к о г о ,
Л.С. Лейбензона, П.Я. П о л у б а р и н о в о й - К о ч и н о й , А.И. С и л и н а Бекчурина, В.М. Ш е с т а к о в а , В.Н. Щ е л к а ч е в а и др.
Ш и р о к о е о с у щ е с т в л е н и е глубокого п о и с к о в о г о и разведочного
бурения на нефть и газ определило возможность (и необходимость)
резкого развития г и д р о г е о л о г и ч е с к и х ( г и д р о д и н а м и к а , гидрогео­
химия и др.) исследований, с в я з а н н ы х с изучением глубоких водо­
носных горизонтов, прежде всего п л а т ф о р м е н н ы х структур. К р у п ­
ный вклад в развитие этого н а п р а в л е н и я внесли советские ученые
Г.В. Б о г о м о л о в , М.А. Г а т а л ь с к и й , Н . К . И г н а т о в и ч , А.А. К а р ц е в ,
В.А. Кротова, Б . Ф . М а в р и ц к и й , Е.В. П и н н е к е р , А . И . С и л и н - Б е к ч у рин, С.Н. С м и р н о в , В.А. С у л и н , А.Е. Ходьков, С.А. Ш а г а я н ц и др.
И н т е н с и в н о е хозяйственное освоение территории страны, в том
числе С е в е р а е в р о п е й с к о й ч а с т и , С и б и р и и Д а л ь н е г о Востока,
в п о с л е в о е н н ы й период о п р е д е л и л о б ы с т р о е развитие р е г и о н а л ь ­
ной гидрогеологии. Здесь в первую очередь н е о б х о д и м о отметить
работы И . К . З а й ц е в а , Г . Н . К а м е н с к о г о , Б . И . Куделина, O . K . Л а н ге, Н.А. М а р и н о в а , A . M . О в ч и н н и к о в а , Н.В. Р о г о в с к о й , Ф . П . С а варенского, А.Н. Семихатова, Н.И. Толстихина и др. Освоение
северных р а й о н о в страны о п р е д е л и л о б ы с т р о е развитие в п о с л е ­
в о е н н ы й п е р и о д нового н а п р а в л е н и я науки — к р и о г и д р о г е о л о г и и
(гидрогеологии к р и о л и т о з о н ы ) , с т а н о в л е н и е к о т о р о г о с в я з а н о с
и м е н а м и А . И . Е ф и м о в а , В.А. К у д р я в ц е в а , Н . Н . Р о м а н о в с к о г о ,
М.И. Сумгина, Н.И. Толстихина, О.Н. Толстихина, С И . Фотиева,
П . Ф . Ш в е ц о в а и др.
Естественно, что при р а с с м о т р е н и и материала в соответствую­
щих главах учебника не могут быть даже кратко охарактеризованы
все разработки п е р е ч и с л е н н ы х здесь авторов. М н о г и е из этих ра­
бот я в л я ю т с я сейчас п р а к т и ч е с к и б и б л и о г р а ф и ч е с к о й редкостью.
В связи с э т и м в тексте и с п и с к е р е к о м е н д о в а н н о й л и т е р а т у р ы
приводятся ссылки главным образом на более поздние публикации,
http://geoschool.web.ru
18
Введение
к о т о р ы е могут б ы т ь и с п о л ь з о в а н ы в к а ч е с т в е д о п о л н и т е л ь н ы х
п о с о б и й при о с в о е н и и курса.
Разработка т е о р е т и ч е с к и х разделов г и д р о г е о л о г и и и р е ш е н и е
к о н к р е т н ы х ( п р и к л а д н ы х ) задач осуществляется с и с п о л ь з о в а н и ­
ем р а з л и ч н ы х методов и с с л е д о в а н и й , в том числе и с о б с т в е н н о
гидрогеологических, в к л ю ч а ю щ и х : полевые методы ( м а р ш р у т н ы е
исследования, гидрогеологическое бурение,
опытно-фильтрацион­
ные работы, н а б л ю д е н и я за режимом подземных вод и др.), методы
камеральной обработки полевых материалов, лабораторные
методы
и с с л е д о в а н и я ( г и д р о г е о х и м и ч е с к и е , ф и л ь т р а ц и о н н ы е и др.) и м е ­
тоды гидрогеологического
моделирования.
С о д е р ж а н и е этих методов
и п р и н ц и п ы их и с п о л ь з о в а н и я р а с с м а т р и в а ю т с я в п о с л е д у ю щ и х
у ч е б н ы х курсах ( « М е т о д ы г и д р о г е о л о г и ч е с к и х и с с л е д о в а н и й » ,
« П о и с к и и разведка п о д з е м н ы х вод» и др.), а т а к ж е в ряде учеб­
ников, справочников и монографий (например, П.П. Климентов,
В.М. Кононов. «Методика гидрогеологических исследований», 1978;
« О с н о в ы гидрогеологии», 1983; и др.).
В 1988 г. состоялся первый Всесоюзный съезд и н ж е н е р о в - г е о ­
логов, гидрогеологов и геокриологов, который подвел итоги разви­
тия этих родственных наук за 70 лет советской власти и определил
о с н о в н ы е задачи ф у н д а м е н т а л ь н ы х и п р и к л а д н ы х и с с л е д о в а н и й .
В области гидрогеологических исследований наряду с существую­
щими задачами съезд наметил два основных направления исследо­
ваний: 1) исследование закономерностей ф о р м и р о в а н и я подземных
вод ( г и д р о д и н а м и к а , гидрогеохимия, гидрогеотермия) в условиях
интенсивного антропогенного воздействия, с в я з а н н ы е с э т и м в о п ­
росы охраны собственно подземных вод и к о м п л е к с экологических
задач, в к л ю ч а ю щ и х изучение роли подземных вод в ф о р м и р о в а н и и
техногенных л а н д ш а ф т о в разного типа, борьбу с загрязнением
природной среды, контроль и управление процессами, п р о т е к а ю ­
щ и м и в верхней части подземной гидросферы в связи с р а з л и ч н ы ­
ми видами хозяйственной деятельности человека; 2) исследование
глубоких горизонтов п о д з е м н о й г и д р о с ф е р ы с целью п о з н а н и я и
к о л и ч е с т в е н н о й х а р а к т е р и с т и к и з а к о н о в ее р а з в и т и я , и з у ч е н и я
роли п о д з е м н ы х вод в геологических процессах, п р о т е к а ю щ и х в
л и т о с ф е р е , в том числе в процессах ф о р м и р о в а н и я и р а з р у ш е н и я
м е с т о р о ж д е н и й п о л е з н ы х и с к о п а е м ы х , г е о х и м и и горных п о р о д ,
разработки с е й с м о г и д р о г е о л о г и ч е с к и х п р о г н о з о в и др.
http://geoschool.web.ru
I
1
ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ
КАК ЭЛЕМЕНТ
ГИДРОСФЕРЫ ЗЕМЛИ
Глава
1
О Б Щ И Е СВЕДЕНИЯ
О ГИДРОСФЕРЕ ПЛАНЕТЫ
Согласно существующим представлениям о с ф е р и ч е с к о м строе­
нии планеты Земля, о б о с н о в а н н ы м в трудах Э. Зюсса, Д. Меррея,
В.И. Вернадского и других, в качестве о с н о в н ы х геосфер ( о б о л о ­
чек), о к р у ж а ю щ и х я д р о З е м л и , на с о в р е м е н н о м уровне развития
наук о З е м л е р а с с м а т р и в а ю т с я в н у т р е н н и е о б о л о ч к и : мантия и
земная кора — и в н е ш н и е : гидросфера и атмосфера. В качестве д о ­
полнительных сложно построенных наружных оболочек Земли,
связанных с различными геосферами планеты, рассматриваются
биосфера как с о в о к у п н о е о п р е д е л е н и е ж и в о г о вещества планеты и
ноосфера ( В . И . В е р н а д с к и й ) к а к о б л а с т ь ж и з н и и д е я т е л ь н о с т и
разумных существ (человека).
1.1. Единство природных вод Земли
Под гидросферой п о н и м а ю т водную о б о л о ч к у З е м л и , о б ъ е д и н я ­
ю щ у ю воды М и р о в о г о о к е а н а , п о д з е м н ы е воды ( с о д е р ж а щ и е с я в
з е м н о й к о р е ) , а т а к ж е п о в е р х н о с т н ы е воды с у ш и ( р е к и , озера,
болота, включая с н е ж н ы й п о к р о в и л е д н и к и ) . П р и этом верхняя
граница гидросферы является одновременно нижней границей
а т м о с ф е р ы , а н и ж н я я граница г и д р о с ф е р ы совпадает с г р а н и ц е й
з е м н о й коры и м а н т и и . В к л ю ч е н и е , т а к и м о б р а з о м , в гидросферу
планеты в целом з е м н о й к о р ы , я в л я ю щ е й с я с а м о с т о я т е л ь н о й гео­
сферой Земли, а также наличие воды в виде молекул Н 0 в составе
а т м о с ф е р ы п л а н е т ы , ж и в о м веществе и, в е р о я т н о , в м а н т и и д е л а ­
ют с у щ е с т в у ю щ и е представления об о б ъ е м е и границах г и д р о с ф е ­
ры в з н а ч и т е л ь н о й с т е п е н и н е о п р е д е л е н н ы м и . Существуют т о ч к и
зрения о необходимости в ы д е л е н и я в состав г и д р о с ф е р ы планеты
2
http://geoschool.web.ru
20
Часть I. П о д з е м н ы е воды как э л е м е н т г и д р о с ф е р ы З е м л и
т о л ь к о с о б с т в е н н о п о в е р х н о с т н ы х вод ( М и р о в о й о к е а н и воды
суши: реки, озера, болота); распространение верхней границы
гидросферы в а т м о с ф е р у планеты д о высот, на которых п о с о в р е ­
м е н н ы м п р е д с т а в л е н и я м е щ е с о д е р ж и т с я вода в виде м о л е к у л
Н 0 (до 16—18 км выше поверхности земли); выделение с а м о с т о я ­
тельно н а з е м н о й и п о д з е м н о й г и д р о с ф е р З е м л и и др.
С у щ е с т в о в а н и е таких р а з л и ч н ы х т о ч е к з р е н и я в к а к о й - т о мере
о п р а в д а н н о , п о с к о л ь к у н е о п р е д е л е н н о с т ь представлений о г р а н и ­
цах гидросферы п л а н е т ы о б ъ е к т и в н о определяется двумя о с н о в ­
н ы м и ф а к т а м и : н а л и ч и е м воды (в р а з л и ч н ы х видах) п р а к т и ч е с к и
во всех оболочках З е м л и ( м а н т и я , з е м н а я кора, а т м о с ф е р а , б и о ­
сфера) и п р и н ц и п и а л ь н о й в о з м о ж н о с т ь ю п о с т о я н н о г о о б м е н а в о ­
д о й ( в о д о о б м е н ) между с м е ж н ы м и о б о л о ч к а м и З е м л и . Н а этих
фактах о с н о в а н о п р и н ц и п и а л ь н о е научное п о л о ж е н и е о единстве
п р и р о д н ы х вод З е м л и , с ф о р м у л и р о в а н н о е е щ е В.И. В е р н а д с к и м .
В соответствии с э т и м п о л о ж е н и е м гидросфера планеты д о л ж н а
рассматриваться как единая динамическая система, открытая в
сторону космоса и внутренних областей Земли (мантия, ядро).
Гидросфера играла и играет о с н о в о п о л а г а ю щ у ю роль в геологи­
ческой истории З е м л и в ф о р м и р о в а н и и ф и з и ч е с к о й , х и м и ч е с к о й ,
а следовательно, и геологической среды, климата, в возникновении
ж и з н и на Земле и ее развитии ( К л и г е , Д а н и л о в , К о н и щ е в , 1998).
Основными внутренними процессами гидросферы являются
круговороты воды и в о д о о б м е н , п р о и с х о д я щ и е на р а з л и ч н ы х ее
уровнях и в р а з л и ч н ы х масштабах.
2
Таким образом, гидросфера Земли по аналогии с понятием биосфера должна
рассматриваться как сложная наружная оболочка планеты, представленная сово­
купностью природных вод, связанных с различными геосферами планеты. В этом
случае только поверхностная часть гидросферы (Мировой океан и воды суши),
не представляющая собой сплошной геосферы, может рассматриваться как пре­
рывистая (фрагментарная) водная оболочка Земли, расположенная между земной
корой и атмосферой. В связи с этим, вероятно, нельзя согласиться с предложе­
ниями рассматривать гидросферу как сплошную водную оболочку земного шара,
простирающуюся от верхней границы тропосферы (тропопауза) вниз до верхней
мантии (Федосеев, 1974; Основы гидрогеологии, 1980), или с определением гид­
росферы как «...непрерывной оболочки Земли, включающей всю воду в жидком,
твердом, химически и биологически связанном состоянии» (Клиге, Данилов,
Конищев, 1998).
О б щ и й объем воды, с о д е р ж а щ и й с я в гидросфере З е м л и , п о су­
щ е с т в у ю щ и м о ц е н к а м ( М и р о в о й в о д н ы й б а л а н с . . . , 1974; Г а в р и л е н к о , Д е р п г о л ь ц , 1971; и др.) составляет о к о л о 2500 м л н к м
(табл. 1.1).
3
http://geoschool.web.ru
Г лава 1. О б щ и е сведения о г и д р о с ф е р е планеты
21
Таблица 1.1
Объем г и д р о с ф е р ы Земли (Р.К. К/шге и др., 1998)
Элементы гидросферы
Объем, тыс. км
3
Доля запасов, %
Мировой океан
1 476 ООО
94,32
Подземные воды
60 ООО
3,83
Ледники и мерзлота
30 000
1,92
Озера, водохранилища и болота
290
0,02
Почвенная влага
16
0,001
Воды рек
2
0,0001
Влага атмосферы
14
0,0008
В соответствии с гипотезой о п р о и с х о ж д е н и и З е м л и путем а к ­
к у м у л я ц и и п е р в и ч н о холодной к о с м и ч е с к о й материи с последую­
щ и м у п л о т н е н и е м , р а з о г р е в о м в результате распада р а д и о а к т и в ­
ных элементов и гравитационной д и ф ф е р е н ц и а ц и е й вещества
( О . Ю . Ш м и д т , В.Г. Ф е с е н к о в и др.) ф о р м и р о в а н и е г и д р о с ф е р ы в
н а с т о я щ е е время с в я з ы в а ю т г л а в н ы м о б р а з о м с п р о ц е с с а м и н а ­
правленного выплавления и необратимой дегазации вещества
м а н т и и (механизм з о н н о г о п л а в л е н и я , п о А . П . Виноградову).
Вода, о б р а з у ю щ а я с я н е п о с р е д с т в е н н о из летучих к о м п о н е н т о в
м а г м ы путем ф о р м и р о в а н и я м о л е к у л Н 0 п р и в з а и м о д е й с т в и и
водорода и к и с л о р о д а , п о л у ч и л а н а з в а н и е п е р в и ч н о й , или ювенильной, воды (juvenilis — лат. ю н ы й , п е р в и ч н ы й ) . С о г л а с н о с о ­
в р е м е н н ы м г е о л о г и ч е с к и м п р е д с т а в л е н и я м , г и д р о с ф е р а на Земле
существовала п р а к т и ч е с к и во все геологические времена. П о м н е ­
н и ю б о л ь ш и н с т в а исследователей (А.П. Виноградов, Н . М . Страхов,
А.В. С и д о р е н к о и др.), ф о р м и р о в а н и е основной массы ювенильной
воды (до 90% по расчетам П . Н . К р о п о т к и н а ) и о б р а з о в а н и е гид­
р о с ф е р ы Земли практически в ее с о в р е м е н н о м объеме п р о и з о ш л о
в течение архейской э р ы , т.е. на самой ранней стадии геологической
и с т о р и и З е м л и . П о м н е н и ю других ( Р у б и , 1951; М и я к и , 1969),
п р о ц е с с ы д е г а з а ц и и м а н т и и и, следовательно, ф о р м и р о в а н и я гид­
р о с ф е р ы планеты в т е ч е н и е геологической и с т о р и и Земли п р о и с ­
ходят п р и м е р н о с о д и н а к о в о й с к о р о с т ь ю . Тогда п р о ц е с с ф о р м и ­
р о в а н и я ю в е н и л ь н ы х вод характеризуется с р е д н и м и в е л и ч и н а м и
п о р я д к а 0,5 к м Д о д (16 м / с ) ' .
2
3
1
3
3
Эти цифры будут несколько выше (до 0,7 км /год), если учитывать процессы
диссоциации молекул воды в верхних слоях атмосферы и последующую диссипа­
цию водорода в космическое пространство.
http://geoschool.web.ru
Часть I. П о д з е м н ы е воды как элемент г и д р о с ф е р ы З е м л и
22
Наряду с о с н о в н ы м п р о ц е с с о м ф о р м и р о в а н и я г и д р о с ф е р ы за
счет д е г а з а ц и и м а н т и и в н а с т о я щ е е в р е м я р а с с м а т р и в а ю т с я и
п р и н ц и п и а л ь н о другие в о з м о ж н ы е пути поступления воды в гид­
росферу планеты. Т а к , п о м н е н и ю В.Ф. Д е р п г о л ь ц а (1962), в гид­
р о с ф е р е планеты может содержаться п о р я д к а 100 т ы с . к м воды,
п о с т у п и в ш е й на З е м л ю с а с т е р о и д н ы м и телами (метеориты) С о л ­
н е ч н о й с и с т е м ы ( м е н е е 0,005% от с о в р е м е н н о г о о б ъ е м а г и д р о ­
с ф е р ы ) . Е щ е о д н и м п о т е н ц и а л ь н о в о з м о ж н ы м и с т о ч н и к о м воды
является образование молекул Н 0 путем синтеза атомов к и с л о р о ­
да и водорода в верхних слоях атмосферы (на высоте 230—250 км).
О д н а к о по с о в р е м е н н ы м п р е д с т а в л е н и я м о б р а з о в а н и е воды идет
здесь о д н о в р е м е н н о с п р о ц е с с а м и д и с с о ц и а ц и и молекул Н 0 и
диссипации атомов водорода в космическое пространство, так
что роль этого и с т о ч н и к а на с о в р е м е н н о м уровне з н а н и й п р е д ­
ставляется весьма п р о б л е м а т и ч н о й ( П и н н е к е р , 1980).
3
1
2
2
Современные представления о строении гидросферы планеты и
единстве природных вод Земли определяют необходимость совмест­
ного р а с с м о т р е н и я з а к о н о в ф о р м и р о в а н и я п р и р о д н ы х вод, с в я ­
з а н н ы х с р а з л и ч н ы м и геосферами п л а н е т ы . К а к б ы л о указано во
введении, воды З е м л и изучаются к о м п л е к с о м наук, среди к о т о ­
рых о с н о в н ы м и ( п о и з у ч е н и ю г и д р о с ф е р ы п л а н е т ы ) я в л я ю т с я :
о к е а н о л о г и я , гидрология с у ш и , гидрогеология и метеорология.
Каждая из этих наук наряду с изучением ф о р м с у щ е с т в о в а н и я ,
состава и з а к о н о в д в и ж е н и я воды в пределах к о н к р е т н ы х частей
и э л е м е н т о в г и д р о с ф е р ы планеты (в ш и р о к о м с м ы с л е — р а з л и ч ­
ных геосфер планеты) н е и з б е ж н о з а н и м а е т с я изучением п р о ц е с ­
сов водообмена между г е о с ф е р а м и З е м л и , о т д е л ь н ы м и ч а с т я м и и
э л е м е н т а м и г и д р о с ф е р ы , т.е. п р о ц е с с о в в з а и м о д е й с т в и я п р и р о д ­
ных вод. В связи с этим даже на уровне о с н о в гидрогеологической
науки п р и н ц и п и а л ь н о н е в о з м о ж н о рассматривать з а к о н о м е р н о с т и
ф о р м и р о в а н и я п о д з е м н о й части г и д р о с ф е р ы ( п о д з е м н ы х вод), не
представляя себе, хотя бы в о б щ и х чертах, п р о ц е с с ы ее в з а и м о ­
действия с водными массами атмосферы и поверхностными водами.
1.2. Поверхностная часть гидросферы.
Водный баланс суши
Собственно поверхностная часть гидросферы планеты, к а к
в и д н о из т а б л . 1.1, п р е д с т а в л е н а в о д н ы м и м а с с а м и М и р о в о г о
о к е а н а и п о в е р х н о с т н ы м и водами с у ш и (реки, озера, болота, л е д В последнее время некоторые авторы обосновывают представление о том,
что «космическое» поступление воды должно рассматриваться в качестве основ­
ного процесса формирования гидросферы Земли.
1
http://geoschool.web.ru
Глава 1. О б щ и е сведения о г и д р о с ф е р е планеты
23
н и к и и с н е ж н и к и ) . О с н о в н ы е п р о ц е с с ы д в и ж е н и я в о д н ы х масс
п о в е р х н о с т н о й части г и д р о с ф е р ы и ее в з а и м о д е й с т в и е с водами
а т м о с ф е р ы , т а к н а з ы в а е м ы е м а л ы е и б о л ь ш о й круговороты воды
в п р и р о д е , з н а к о м ы уже и з курса с р е д н е й ш к о л ы . С о с т а в н ы м и
частями таких круговоротов являются выпадение атмосферных
осадков, к о н д е н с а ц и я , и с п а р е н и е воды и п о в е р х н о с т н ы й сток.
С о о т н о ш е н и е этих с о с т а в л я ю щ и х в н а и б о л е е наглядной ф о р м е
может б ы т ь представлено т а к н а з ы в а е м ы м уравнением водного ба­
ланса (1.1), я в л я ю щ и м с я математическим в ы р а ж е н и е м , о п и с ы в а ю ­
щ и м с о о т н о ш е н и е прихода и расхода воды с учетом и з м е н е н и я ее
запасов за о п р е д е л е н н ы й интервал времени для участка террито­
рии, водного объекта, элемента подземной части гидросферы и др.
( Г о р ш к о в , 1979).
Д л я участка поверхности земли (суша), о г р а н и ч е н н о г о п р о и з ­
в о л ь н ы м к о н т у р о м , у р а в н е н и е водного баланса может б ы т ь пред­
ставлено в с л е д у ю щ е м виде (все с о с т а в л я ю щ и е водного баланса
в ы р а ж е н ы в слое воды в м м , или в объемах м и т.д. за о п р е д е ­
л е н н ы й период в р е м е н и ) :
3
r
Х+ K±AY-Z -Z ±AW =±AU,
]
(l.l)
J
где X — а т м о с ф е р н ы е о с а д к и ; К — к о н д е н с а ц и я ; А К — разность
п р и т о к а и оттока п о в е р х н о с т н ы х вод ( п о в е р х н о с т н ы й п р и т о к и
отток); Z , — и с п а р е н и е с водной поверхности (поверхность реч­
ных вод, озер и д р . ) ; Z — с у м м а р н о е и с п а р е н и е с поверхности
суши, в том числе т р а н с п и р а ц и я растительностью; AW — разность
между п р о с а ч и в а н и е м п о в е р х н о с т н ы х вод через поверхность з е м ­
ли и п р и т о к о м п о д з е м н ы х вод на поверхность ( п о д з е м н ы й п р и ­
ток и отток); AU — и з м е н е н и е з а п а с о в воды на п л о щ а д и б а л а н с о ­
вого участка (в руслах р е к и ручьев, озерах, болотах, в п о ч в е н н о м
слое и др.).
2
Атмосферные осадки. А т м о с ф е р н ы м и осадками называются ж и д ­
кие или твердые продукты к о н д е н с а ц и и водяных паров в а т м о с ф е ­
ре, в ы п а д а ю щ и е на поверхность земли (воды) в виде дождя, снега,
града, а также о с а ж д а ю щ и е с я н е п о с р е д с т в е н н о и з воздуха на п о ­
верхность земли в виде р о с ы , инея и и з м о р о с и .
К о л и ч е с т в о о с а д к о в , п о с т у п и в ш е е на поверхность земли (или
л ю б у ю другую п о в е р х н о с т ь ) за о п р е д е л е н н ы й п е р и о д в р е м е н и ,
может б ы т ь в ы р а ж е н о о б ъ е м о м воды ( с м , л, м и др.) или слоем
(мм, с м , м). Н а и б о л е е удобной и п р и м е н я е м о й ф о р м о й является
о ц е н к а количества а т м о с ф е р н ы х о с а д к о в в виде слоя воды ( м м ) ,
п о с т у п и в ш е г о на р а с с м а т р и в а е м у ю п о в е р х н о с т ь за е д и н и ц у вре­
мени (мм/ч, мм/сут, мм/год). Количество атмосферных осадков,
3
http://geoschool.web.ru
3
24
Часть I. П о д з е м н ы е воды как э л е м е н т г и д р о с ф е р ы З е м л и
в ы п а в ш и х в т е ч е н и е года, н а з ы в а е т с я г о д о в о й с у м м о й о с а д к о в
( м м / г о д ) и является в а ж н е й ш е й х а р а к т е р и с т и к о й при п р о в е д е н и и
в о д н о б а л а н с о в ы х расчетов.
Непосредственные измерения количества атмосферных осад­
ков ( и с п а р е н и я , температуры воздуха и др.) в ы п о л н я ю т с я на с п е ­
ц и а л ь н ы х постах и с т а н ц и я х Г и д р о м е т е о р о л о г и ч е с к о й с л у ж б ы
России (Росгидромет) и ряда других ведомств . Д а н н ы е и з м е р е н и й
и результаты их о б р а б о т к и ( х а р а к т е р н ы е з н а ч е н и я а т м о с ф е р н ы х
осадков) п у б л и к у ю т с я в « М е т е о р о л о г и ч е с к и х ежегодниках». Эти
материалы п о з в о л я ю т к о л и ч е с т в е н н о охарактеризовать (для д а н ­
ного пункта н а б л ю д е н и й ) р а с п р е д е л е н и е а т м о с ф е р н ы х о с а д к о в в
течение года и от года к году (табл. 1.2).
1
Таблица 1.2
Распределение годовых с у м м а т м о с ф е р н ы х осадков
и их среднемноголетнее (норма) значение, мм/год
(Справочник климата, вып. 15, 1971)
Годы
наблюдений
Пункты наблюдений
Хибины
Махачкала
Петропавловск-Камчатский
1951
509
375
808
1952
368
315
997
1953
539
310
842
1954
541
425
850
1955
531
466
1289
1956
369
405
999
1957
525
284
792
1958
436
430
722
1959
568
523
722
1960
316
425
753
1961
616
409
896
1962
540
283
992
1963
550
444
769
1964
548
324
788
1965
601
229
857
Норма
594
376
875
1
Методика количественного определения осадков, устройство приборов, а
также методы обработки регистрируемых данных подробно рассмотрены в учеб­
никах по метеорологии и специальных справочниках.
http://geoschool.web.ru
Глава 1. О б щ и е сведения о г и д р о с ф е р е п л а н е т ы
25
Н а л и ч и е в к о н к р е т н о м пункте м а т е р и а л о в д л и т е л ь н ы х н а б л ю ­
дений позволяет охарактеризовать распределение атмосферных
осадков в т е ч е н и е м н о г о л е т н е г о п е р и о д а (так н а з ы в а е м ы й м н о г о ­
летний ряд, в котором каждая конкретная годовая сумма атмосфер­
ных осадков рассматривается в качестве с л у ч а й н о й в е л и ч и н ы ) .
О д н о й из в а ж н е й ш и х х а р а к т е р и с т и к ряда с л у ч а й н ы х в е л и ч и н
(метеорологические, гидрологические, гидрогеологические) являет­
ся его среднее многолетнее значение — норма, в качестве которой
рассматривается среднее з н а ч е н и е д а н н о й в е л и ч и н ы за м н о г о л е т ­
ний период н а б л ю д е н и й такой продолжительности, когда при
д а л ь н е й ш е м увеличении периода н а б л ю д е н и й , полученное среднее
з н а ч е н и е и з м е н я е т с я в пределах о ш и б к и и з м е р е н и я .
Исходя из этого н о р м а годовых осадков определяется в ы р а ж е ­
нием
п
Y
- J
П 9>
где Х — н о р м а годовой с у м м ы о с а д к о в , м м / г о д ; х- — сумма о с а д ­
к о в в к о н к р е т н ы й год, м м / г о д ; N — н е о б х о д и м о е ч и с л о лет н а ­
блюдений.
П о с к о л ь к у п р а к т и ч е с к и во всех случаях годовая с у м м а а т м о с ­
ф е р н ы х осадков (в к о н к р е т н о м пункте н а б л ю д е н и й ) с у щ е с т в е н н о
меняется год от года (см. табл. 1.2), н а л и ч и е м н о г о л е т н е г о ряда
наблюдений и оценка нормы атмосферных осадков позволяют
о б ъ е к т и в н о о ц е н и в а т ь так н а з ы в а е м ы е маловодные ( н и ж е н о р м ы )
и многоводные годы ( п е р и о д ы ) , годы с максимальной
и минималь­
ной водностью, к о н к р е т н о о ц е н и в а т ь р а з л и ч и е сумм а т м о с ф е р н ы х
осадков в годы с р а з л и ч н о й в о д н о с т ь ю и т.д.
И з м е н е н и е годовых сумм а т м о с ф е р н ы х о с а д к о в (и других ха­
р а к т е р н ы х з н а ч е н и й ) осуществляется не т о л ь к о во в р е м е н и , н о и
п о п л о щ а д и (от п у н к т а к п у н к т у ) . Р а с п р е д е л е н и е а т м о с ф е р н ы х
осадков на п л о щ а д и изучаемого р а й о н а отражается (в зависимости
от размера р а й о н а и характера р а с п р е д е л е н и я ) или в виде карты
изогиет\
или путем в ы д е л е н и я р а й о н о в ( п л о щ а д е й ) , х а р а к т е р и ­
з у ю щ и х с я е д и н ы м и в е л и ч и н а м и а т м о с ф е р н ы х осадков.
О ц е н к а среднего з н а ч е н и я слоя а т м о с ф е р н ы х осадков д л я л ю ­
бого по п л о щ а д и участка в ы п о л н я е т с я с п о м о щ ь ю г р а ф о а н а л и т и ­
ческих п р и е м о в , п р о с т е й ш и м и из к о т о р ы х я в л я ю т с я расчет с р е д ­
него а р и ф м е т и ч е с к о г о (из п о к а з а н и й всех м е т е о р о л о г и ч е с к и х п о {)
1
Изогиеты — линии, соединяюшие точки с одинаковым количеством ат­
мосферных осадков (среднемноголетние, годовые, сезонные и любые другие
значения за определенный период времени).
http://geoschool.web.ru
Часть I. П о д з е м н ы е воды как э л е м е н т г и д р о с ф е р ы З е м л и
26
с т о в и с т а н ц и й , р а с п о л о ж е н н ы х на р а с с м а т р и в а е м о й т е р р и т о ­
р и и ) , метод квадратов и с п о с о б изогиет ( Г о р ш к о в , 1979).
О б щ е й з а к о н о м е р н о с т ь ю я в л я ю т с я и з м е н е н и е годовых с у м м
а т м о с ф е р н ы х о с а д к о в (их р а с п р е д е л е н и е внутри года, и н т е н с и в ­
н о с т ь и др.) с и з м е н е н и е м ш и р о т ы м е с т н о с т и ( к л и м а т и ч е с к и е
з о н ы З е м л и ) , их у м е н ь ш е н и е в н а п р а в л е н и и от о к е а н и ч е с к и х п о ­
бережий к центральным районам континентов и относительное
увеличение с возрастанием абсолютных отметок поверхности
земли (так н а з ы в а е м о е " о р о г р а ф и ч е с к о е " у в е л и ч е н и е а т м о с ф е р ­
н ы х осадков) (рис. 1.1).
Испарение. П о д и с п а р е н и е м воды п о н и м а ю т п р о ц е с с перехода
молекул Н 0 при д о с т и ж е н и и с к о р о с т и , д о с т а т о ч н о й д л я п р е о д о ­
ления сил молекулярного притяжения с поверхности жидкости
или твердого тела в а т м о с ф е р у (в о к р у ж а ю щ е е п р о с т р а н с т в о ) .
2
Собственно величиной испарения является разность между числом молекул
Н 0 , перешедших с поверхности воды или твердого тела в окружающее прост­
ранство, и числом молекул, снова поглощенных этой поверхностью.
В случае, если число молекул, поглощенных поверхностью, превышает число
молекул, оторвавшихся от нее, этот процесс называется конденсацией (Чебота­
рев, 1975).
2
Наряду с э т и м существует т а к н а з ы в а е м о е п о н я т и е
"испаряе­
мость", под которой п о н и м а е т с я м а к с и м а л ь н о в о з м о ж н о е и с п а ­
рение при д а н н ы х метеорологических условиях с д о с т а т о ч н о у в ­
лажненной испаряющей поверхности (водная поверхность или
п о с т о я н н о у в л а ж н я е м а я поверхность грунта).
П р и расчетах в о д н о г о б а л а н с а п о в е р х н о с т и с у ш и п о ф о р м у ­
ле (1.1) о б ы ч н о р а с с м а т р и в а ю т с я т р и о с н о в н ы х вида и с п а р е н и я :
и с п а р е н и е с п о в е р х н о с т и водных о б ъ е к т о в , и м е ю щ и х с я на п л о ­
щади б а л а н с о в о г о участка, — испарение с водной поверхности, от­
бор влаги к о р н я м и р а с т е н и й — транспирацию
и так называемое
суммарное испарение с поверхности суши, или
эвапотранспирацию,
в к л ю ч а ю щ е е и с п а р е н и е с п о ч в ы , т р а н с п и р а ц и ю растительности и
и с п а р е н и е воды, п о п а в ш е й на листья и стебли растений п р и в ы ­
падении а т м о с ф е р н ы х осадков.
Количество воды, и с п а р и в ш е е с я с поверхности воды или с у ш и
( и с п а р е н и е ) , а н а л о г и ч н о а т м о с ф е р н ы м о с а д к а м может б ы т ь в ы р а ­
ж е н о о б ъ е м о м (л, м ) или с л о е м воды ( м м , с м , м). Т а к ж е к а к ат­
м о с ф е р н ы е осадки, величина и с п а р е н и я о б ы ч н о выражается слоем
воды (мм), и с п а р и в ш и м с я с рассматриваемой поверхности за еди­
ницу времени (мм/сут, м м / м е с , мм/год). Годовая и средняя м н о г о ­
летняя ( н о р м а ) в е л и ч и н ы и с п а р е н и я р а с с ч и т ы в а ю т с я т а к ж е , к а к
характеристики а т м о с ф е р н ы х о с а д к о в (см. ф о р м у л у (1.2)).
3
http://geoschool.web.ru
Рис. 1.1. Распределение годовых сумм атмосферных осадков (мм/год) на терри­
тории европейской части России (Мировой водный баланс, 1974)
http://geoschool.web.ru
Часть I. П о д з е м н ы е воды как э л е м е н т г и д р о с ф е р ы З е м л и
28
П р и наличии д а н н ы х метеорологических наблюдений величина
суммарного испарения может быть определена с использованием
э м п и р и ч е с к и х з а в и с и м о с т е й , у ч и т ы в а ю щ и х количество а т м о с ф е р ­
н ы х осадков, среднегодовые т е м п е р а т у р ы , р а д и а ц и о н н ы й п р и т о к
тепла и другие х а р а к т е р и с т и к и (1.3), и л и г р а ф о а н а л и т и ч е с к и м и
методами (рис. 1.2):
(1.3)
Е =
д/0,9
+
(P/Lf
'
где Е — н о р м а г о д о в о г о с у м м а р н о г о и с п а р е н и я ( м м / г о д ) ;
Р — н о р м а а т м о с ф е р н ы х о с а д к о в ( м м / г о д ) ; L = 300 + 25 7 4 0,05 Г
( Ш е с т а к о в , П о з д н я к о в , 2003; Turc, 1961).
2
L, см/год
90 I
80
70
, ь.
60
50
40
30
R----10 кал/ с м •од
2
20
10
40
80
120
160
Осадки
200
240 X, см/год
Рис. 1.2. График для расчета величины испарения с поверхности
суши по норме осадков и величине радиационного прихода
тепла (по М.И. Будыко)
Распределение величины испарения с поверхности земли (воды)
в пределах изучаемой территории (участок, район, континент и др.)
изображается о б ы ч н о с п о м о щ ь ю и з о л и н и й , с о е д и н я ю щ и х п у н к ­
ты (точки) с о д и н а к о в ы м и в е л и ч и н а м и и с п а р е н и я с о д н о т и п н о й
и с п а р я ю щ е й п о в е р х н о с т и за е д и н ы й п е р и о д в р е м е н и ( м м / с у т ,
м м / м е с , м м / г о д и т.д.) (рис. 1.3). Расчеты с р е д н е м н о г о л е т н и х в е ­
л и ч и н , а также средних в е л и ч и н и с п а р е н и я д л я д а н н о г о р а й о н а
( и з м е н е н и я п о площади) в ы п о л н я ю т с я а н а л о г и ч н о расчетам сред­
них сумм а т м о с ф е р н ы х осадков.
Распределение величин испарения по поверхности земного
шара тесно с в я з а н о с к л и м а т и ч е с к и м и з о н а м и З е м л и . И с п а р е н и е
http://geoschool.web.ru
29
Глава 1. О б щ и е сведения о г и д р о с ф е р е планеты
с водной поверхности (испаряемость) определяется главным обра­
зом радиационным
балансом местности ( к к а л / с м • год) и в о б щ е м
случае увеличивается от а р к т и ч е с к и х областей к э к в а т о р и а л ь н о й
зоне З е м л и от 100 д о 2000 м м / г о д (рис. 1.3).
2
Рис. 1.3. Распределение годовых величин испаряемости (мм/год) на
территории европейской части России (Мировой водный баланс, 1974)
http://geoschool.web.ru
Часть I. П о д з е м н ы е воды как элемент г и д р о с ф е р ы З е м л и
30
Суммарное испарение с поверхности суши п о м и м о в е л и ч и н ы р а ­
д и а ц и о н н о г о баланса тепла тесно связано со степенью увлажнения
поверхности земли (количество а т м о с ф е р н ы х осадков) и и з м е н я ­
ется от 100—150 м м / г о д в а р к т и ч е с к и х и з а с у ш л и в ы х в н у т р и к о н т и н е н т а л ь н ы х областях д о 1200—1500 м м / г о д и более в п о д з о н е
влажных т р о п и к о в .
С т е п е н ь у в л а ж н е н и я поверхности характеризуется к о э ф ф и ц и ­
ентом у в л а ж н е н и я , о п р е д е л я е м ы м из с о о т н о ш е н и я а т м о с ф е р н ы х
осадков и в е л и ч и н ы м а к с и м а л ь н о в о з м о ж н о г о и с п а р е н и я (за тот
же период):
1
К
у
= ^ ,
o
(1.4)
z
где К — с р е д н е е з н а ч е н и е к о э ф ф и ц и е н т а у в л а ж н е н и я ; Х —
среднее м н о г о л е т н е е з н а ч е н и е ( н о р м а ) с у м м ы о с а д к о в ( м м / г о д ) ;
Z — м а к с и м а л ь н о возможное и с п а р е н и е (испаряемость) (мм/год).
Поверхностный
сток. П о д п о в е р х н о с т н ы м с т о к о м п о н и м а ю т
процесс д в и ж е н и я воды, п р о и с х о д я щ и й в ф о р м е ее с т е к а н и я п о
з е м н о й п о в е р х н о с т и . О с н о в н ы м и в и д а м и п о в е р х н о с т н о г о стока
я в л я ю т с я : склоновый, ф о р м и р у ю щ и й с я в виде ш и р о к и х , н о м е л ­
ких п о т о к о в на поверхности с к л о н о в ; т а к н а з ы в а е м ы й
тальвеговый сток — в виде с о с р е д о т о ч е н н ы х п о т о к о в в более и л и менее
р а з р а б о т а н н о м русле (балки, лога и др.) г л а в н ы м образом в к о ­
роткие периоды интенсивного увлажнения поверхности земли
(период с н е г о т а я н и я , л и в н е в ы е осадки и др.) и речной сток, ф о р ­
м и р у ю щ и й с я в виде с о с р е д о т о ч е н н о г о потока п о в е р х н о с т н ы х вод
в х о р о ш о р а з р а б о т а н н о м р е ч н о м русле (А.И. Чеботарев).
у
0
Q
П р и в о д н о б а л а н с о в ы х и с с л е д о в а н и я х суши в качестве о б о б щ а ­
ю щ е й характеристики п о в е р х н о с т н о г о стока о б ы ч н о р а с с м а т р и в а ­
ется с т о к , с у м м а р н о у ч и т ы в а ю щ и й с к л о н о в ы й , т а л ь в е г о в ы й и
п р и т о к п о д з е м н ы х вод в русло реки ( п о д з е м н ы й п р и т о к в р е к и )
(рис. 1.4).
Речной с т о к ф о р м и р у е т с я на п л о щ а д и т а к н а з ы в а е м о г о в о д о ­
с б о р н о г о б а с с е й н а ( р е ч н о й б а с с е й н , водосбор), п р е д с т а в л я ю щ е г о
собой участок з е м н о й п о в е р х н о с т и , с которого поступают воды в
данную речную систему, реку, озеро и др. Аналогично этому э л е ­
мент подземной части гидросферы, из которого происходит поступ­
ление подземных вод в данную речную систему (реку), называется
1
Конструкции испарителей, расчеты различных величин испарения и т.д.
рассматриваются в учебных пособиях к курсам «Гидрология», «Метеорология»
и справочных руководствах.
http://geoschool.web.ru
Глава 1. О б щ и е сведения о г и д р о с ф е р е планеты
ее подземным водосбором. Гра­
н и ц а (в п л а н е ) м е ж д у двумя
с м е ж н ы м и водосборными б а с ­
сейнами называется водоразде­
лом, причем в зависимости от
строения гидрогеологического
разреза, р а з м е р о в бассейна и
других ф а к т о р о в п о в е р х н о с т ­
ный и подземный водоразделы
(водосборы) данной речной
системы могут как совпадать,
так и не совпадать друг с дру­
гом (см. гл. 3).
31
к ЖПтптгпгптТ
IV V VI VII VIII IX х XII XII t
Месяцы
I
\1 гшть рпд
3
Рис. 1.4. Расчленение гидрографа реки по
Количественно речной сток видам ее питания: / — поверхностный
может быть охарактеризован в сток; 2 — подземный сток; 3 — периоды с
л ю б о м створе ( п о п е р е ч н и к е ) наличием ледяного покрова; а — зимняя
межень; 6 — весеннее половодье; в — лет­
русла реки объемом воды, п р о ­
няя межень с периодами дождевых павод­
шедшим через створ за опреде­ ков; г — период летне-осенних паводков
ленный период времени (м ,
к м и т.д.), или расходом воды, под которым понимается количество
воды, п р о т е к а ю щ е е через п о п е р е ч н о е с е ч е н и е п о т о к а (русла) в
е д и н и ц у времени ( л / с , м / с ) .
3
3
3
В расчете на в с ю п л о щ а д ь б а с с е й н а , р а с п о л о ж е н н о г о в ы ш е
расчетного ( з а м ы к а ю щ е г о ) створа, в е л и ч и н а р е ч н о г о стока может
б ы т ь о х а р а к т е р и з о в а н а т а к ж е модулем стока,
представляющим
собой расход стока (л/с) с 1 к м п л о щ а д и водосбора:
2
М
ЮООу,
2
л/с-км ,
(1.5)
3
где Q — расход воды в з а м ы к а ю щ е м створе, м / с ; F — п л о щ а д ь
водосбора выше з а м ы к а ю щ е г о створа, к м ; и так называемым
слоем стока, о п р е д е л я е м ы м о б ы ч н о в расчете за годовой п е р и о д
(декада, м е с я ц , сезон года)
2
У = 1000
Q
(1.6)
3
где Y — слой стока, м м / г о д ; Q — объем стока, м / г о д ; F — п л о ­
щ а д ь водосбора, м . Модуль стока ( л / с • к м ) и годовой слой стока
( м м / г о д ) с в я з а н ы между с о б о й п р о с т ы м с о о т н о ш е н и е м :
2
2
У= 31,5 Л/,
(1.7)
где 31,5 — ч и с л о в о й к о э ф ф и ц и е н т , у ч и т ы в а ю щ и й ч и с л о секунд в
году и р а з м е р н о с т ь в е л и ч и н .
http://geoschool.web.ru
32
Часть I. П о д з е м н ы е воды как э л е м е н т г и д р о с ф е р ы З е м л и
Величина речного стока может б ы т ь в ы р а ж е н а также коэффи­
циентом стока, х а р а к т е р и з у ю щ и м о т н о ш е н и е слоя стока к сумме
а т м о с ф е р н ы х о с а д к о в за тот же п е р и о д , в д о л я х е д и н и ц ы и л и
процентах:
(1.8)
100%,
где К — к о э ф ф и ц и е н т р е ч н о г о стока; Y — слой стока, м м / г о д ;
х — сумма а т м о с ф е р н ы х о с а д к о в , м м / г о д .
График изменения расхода речного стока в конкретном сечении
русла (створе) в т е ч е н и е годового п е р и о д а (месяца, с е з о н а и др.)
называется гидрографом,
или г и д р о г р а м м о й с т о к а (см. р и с . 1.4).
Ф о р м а г и д р о г р а ф а в о б щ е м случае о п р е д е л я е т с я с о о т н о ш е н и е м
с о с т а в л я ю щ и х р е ч н о г о стока (дождевое п и т а н и е , снеговое, л е д н и ­
ковое, п о д з е м н ы й п р и т о к в реку и др.), их в е л и ч и н о й и р а с п р е ­
д е л е н и е м во в р е м е н и .
При наличии данных наблюдений или гидрографа стока величи­
на речного стока (в д а н н о м створе) может быть охарактеризована
с р е д н и м расходом ( м / с ) за л ю б о й п е р и о д в р е м е н и ( с р е д н е м е с я ч ­
н ы й расход, с р е д н и й расход з и м н е й м е ж е н и и т.д.) или с р е д н е г о ­
д о в ы м расходом, о п р е д е л я е м ы м из с о о т н о ш е н и я
3
(1.9)
Q =
3
где Q — з н а ч е н и е с р е д н е г о д о в о г о расхода, м / с ; V — годовой
объем р е ч н о г о стока, м ; N — ч и с л о секунд в году.
В соответствии с ф о р м у л о й (1.9) для каждого з н а ч е н и я расхода
могут быть р а с с ч и т а н ы т а к ж е в е л и ч и н ы модуля, слоя и к о э ф ф и ­
циента речного стока для л ю б о г о характерного периода.
П р и наличии данных многолетнего ряда наблюдений могут быть
рассчитаны средние многолетние з н а ч е н и я среднегодового расхода
(среднего расхода за л ю б о й характерный период) и соответственно
модуля, слоя и к о э ф ф и ц и е н т а р е ч н о г о стока.
Систематические наблюдения за расходами речного стока (уров­
н я м и , т е м п е р а т у р о й , м и н е р а л и з а ц и е й воды и др.) в ы п о л н я ю т с я
на г и д р о м е т р и ч е с к и х с т а н ц и я х и постах Р о с г и д р о м е т а и других
ведомств и публикуются в «Гидрологических ежегодниках».
Уравнение водного баланса для площади речного бассейна, огра­
ниченного водоразделом (граница водосбора) и замыкающим
с т в о р о м , в котором измеряется р е ч н о й с т о к за л ю б о й р а с ч е т н ы й
период, может б ы т ь представлено в виде
3
http://geoschool.web.ru
Глава 1. О б щ и е сведения о г и д р о с ф е р е п л а н е т ы
33
(l.lO)
Y=X-Z±AW±AU,
где Y — р е ч н о й с т о к в з а м ы к а ю щ е м створе; X — а т м о с ф е р н ы е
осадки: Z — с у м м а р н о е и с п а р е н и е с п л о щ а д и речного б а с с е й н а за
в ы ч е т о м к о н д е н с а ц и и ; AW — р а з н о с т ь м е ж д у п р о с а ч и в а н и е м
воды через поверхность земли ( и н ф и л ь т р а ц и я а т м о с ф е р н ы х о с а д ­
ков, п о г л о щ е н и е части с к л о н о в о г о стока и др.) и п о с т у п л е н и е м
подземных вод в р е ч н у ю сеть бассейна; AU — и з м е н е н и е з а п а с о в
поверхностных вод на п л о щ а д и бассейна (все элементы уравнения
в ы р а ж е н ы в одних е д и н и ц а х и з м е р е н и я — м , мм слоя и т.д.).
Д л я м н о г о л е т н е г о п е р и о д а (в расчете на годовой ц и к л ) п р и
характеристике б а л а н с о в ы х в е л и ч и н их с р е д н и м и м н о г о л е т н и м и
годовыми з н а ч е н и я м и или н о р м о й ( м м / г о д и т.д.) у р а в н е н и е п р и ­
нимает вид
3
(1.11):
п о с к о л ь к у для м н о г о л е т н е г о периода с м н о г о к р а т н ы м
н и е м м а л о в о д н ы х и м н о г о в о д н ы х лет ±AU=0.
чередова­
Приведенные выше балансовые уравнения для произвольно ограниченного
участка суши ( l . l ) и площади речного бассейна (l.lO), ( l . l l ) показывают, что в
общем случае во всех балансовых уравнениях поверхности суши фигурирует эле­
мент уравнения, учитывающий процессы взаимодействия поверхностной (суша)
и подземной частей гидросферы i±A\V). Значение (и величина) этого элемента
баланса для каждого конкретного района определяется, с одной стороны, всеми
элементами уравнения, с другой — собственно строением подземной части гид­
росферы: строением разреза земной коры (особенно верхней части), свойствами
горных пород, видами подземных вод и условиями их залегания.
Контрольные
вопросы к главе 1
1. Современные представления
о формировании гидросферы
Земли.
2. Уравнение водного баланса произвольно ограниченного
участка
поверхности.
3. Понятие "норма" — атмосферных осадков, испарения и др.
4. Что такое "коэффициент увлажнения" ?
5. Что такое "модуль стока", "слой стока", "коэффициент
сто­
ка", их
соотношение?
6. Уравнение водного баланса речного
бассейна.
http://geoschool.web.ru
34
Часть I. П о д з е м н ы е воды как элемент г и д р о с ф е р ы З е м л и
Глава
2
СОСТАВ И С Т Р О Е Н И Е
ПОДЗЕМНОЙ ГИДРОСФЕРЫ
В ы д е л е н и е п о д з е м н о й части г и д р о с ф е р ы в г р а н и ц а х з е м н о й
коры обусловливает тесную связь п о д з е м н ы х вод с ее с т р о е н и е м
и историей развития. Строение геологического разреза земной
коры, физические свойства и минералого-геохимический комп­
лекс горных пород, геотемпературный р е ж и м , р а с п р е д е л е н и е д а в ­
л е н и й в з е м н о й коре о п р е д е л я ю т о с н о в н ы е о с о б е н н о с т и состава
и строения п о д з е м н о й части г и д р о с ф е р ы , к к о т о р ы м о т н о с я т с я :
фазово-агрегатное состояние подземных вод (виды воды); условия
их залегания (гидрогеологический разрез з е м н о й коры); и н т е н с и в ­
ность д в и ж е н и я п о д з е м н ы х вод; ф и з и ч е с к и е свойства и х и м и ч е ­
ский состав (температура, к о н ц е н т р а ц и я растворенных веществ, их
состав, г а з о н а с ы щ е н н о с т ь и др.).
2.1. Виды воды в горных породах
Первые к л а с с и ф и к а ц и о н н ы е построения с выделением различ­
ных видов воды в горных породах были разработаны О. М е й н ц е ром (1935) и в наиболее п о л н о м виде А . Ф . Лебедевым (1922, 1936).
Д а л ь н е й ш е е развитие и уточнение этой к л а с с и ф и к а ц и и в ы п о л н е н о
в работах Б.В. Д е р я г и н а , Е.В. П и н н е к е р а , А.А. Роде, А . И . С и л и н а Бекчурина, Е . М . Сергеева, Н . И . Т о л с т и х и н а и др. С учетом р а з р а ­
боток и п о с т р о е н и й этих авторов в п о д з е м н о й части г и д р о с ф е р ы
планеты могут быть выделены две п р и н ц и п и а л ь н о различные груп­
пы п о д з е м н ы х вод: 1) воды в свободном с о с т о я н и и , с п о с о б н ы е к
самостоятельным формам движения, различным, в зависимости
от к о н к р е т н о г о вида воды; 2) воды в связанном с о с т о я н и и , не
с п о с о б н ы е к с а м о с т о я т е л ь н ы м ф о р м а м д в и ж е н и я , без перехода в
свободное с о с т о я н и е (в другие виды воды).
Вода в с в о б о д н о м с о с т о я н и и существует в виде: 1) пара ( п а р о ­
о б р а з н а я ) ; 2) г р а в и т а ц и о н н о й воды ( п р о с а ч и в а ю щ е й с я к а п е л ь н о ­
ж и д к о й , п о д з е м н ы х потоков); 3) в н а д к р и т и ч е с к о м с о с т о я н и и .
Воды в с в я з а н н о м с о с т о я н и и в к л ю ч а ю т п я т ь видов: 1) вода,
х и м и ч е с к и с в я з а н н а я с к р и с т а л л и ч е с к о й структурой м и н е р а л о в ;
2) вода, ф и з и к о - х и м и ч е с к и и ф и з и ч е с к и связанная с поверхностью
м и н е р а л ь н ы х частиц (скелета) горных пород; 3) вода переходного
состояния от с в я з а н н о й к свободной, в том числе к а п и л л я р н о - с в я ­
занная; 4) и м м о б и л и з о в а н н а я (вакуольная) вода; 5) вода в твердом
состоянии.
http://geoschool.web.ru
Глава 2. С о с т а в и с т р о е н и е п о д з е м н о й г и д р о с ф е р ы
Вода в парообразном
состоя­
нии ( в о д я н о й пар) существует в
виде молекул Н 0 ( к о м п л е к с о в
типа я - Н - , 0 ) в воздухе, з а п о л ­
н я ю щ е м пустоты в горных п о ­
родах при их н е п о л н о м н а с ы ­
щ е н и и ж и д к о с т ь ю , или в виде
п а р о в о д я н о й смеси ( п а р о г и д р о т е р м ы ) , о б р а з у ю щ е й с я из п е ­
регретых (/> 100°С) п о д з е м н ы х
растворов при резких у м е н ь ш е ­
ниях давления ("вскипание")
(рис. 2.1).
35
2
0,003
374 т, °с
В зоне неполного н а с ы щ е н и я Рис. 2.1. Диаграммы фазового состояния
( в е р х н я я часть р а з р е з а з е м н о й волы в зависимости от температуры и
давления (по К. Краускопфу)
к о р ы ) в о д я н о й пар п о п а д а е т в
пустоты горной п о р о д ы с а т м о ­
с ф е р н ы м воздухом или формируется в результате испарения самих
п о д з е м н ы х вод (внутригрунтовое и с п а р е н и е ) . Д в и ж е н и е молекул
водяного пара в зоне н е п о л н о г о н а с ы щ е н и я осуществляется в с о ­
ответствии с и з м е н е н и е м упругости в о д я н о г о пара: от участков с
большей к участкам с м е н ь ш е й упругостью водяного пара, к о т о ­
рая з а в и с и т от в л а ж н о с т и и т е м п е р а т у р ы воздуха. П р и 100%-й
о т н о с и т е л ь н о й влажности воздуха, характерной для з о н ы н е п о л ­
ного н а с ы щ е н и я , д в и ж е н и е в о д я н о г о пара осуществляется в соот­
ветствии с г р а д и е н т о м т е м п е р а т у р ы (в н а п р а в л е н и и п о н и ж е н и я
температуры горных пород).
Свободной гравитационной
водой н а з ы в а ю т с я п о д з е м н ы е воды,
движение которых происходит под действием силы тяжести и (или)
градиента г и д р о с т а т и ч е с к о г о д а в л е н и я . П р о с а ч и в а ю щ е й с я н а з ы ­
вается подземная вода, ф о р м и р у ю щ а я с я в н е н а с ы щ е н н о й зоне и
передвигающаяся преимущественно в капельно-жидкой форме
под действием с и л ы т я ж е с т и . В ряде случаев для характеристики
подобного д в и ж е н и я г р а в и т а ц и о н н о й воды у с л о в н о используется
термин " п о д з е м н о е д о ж д е в а н и е " .
Водой п о д з е м н о г о потока называется свободная г р а в и т а ц и о н ­
ная вода, п е р е д в и г а ю щ а я с я в условиях п о л н о г о н а с ы щ е н и я с в о ­
бодного пространства в м и н е р а л ь н о м скелете горных пород под
действием с и л ы тяжести и градиента гидростатического д а в л е н и я .
Водой в надкритическом
состоянии называются подземные воды
с температурой и д а в л е н и е м в ы ш е критических. Д л я чистой воды
к р и т и ч е с к а я т е м п е р а т у р а р а в н а 374°С, д а в л е н и е — 2,2- 10 к П а
4
http://geoschool.web.ru
Часть I. П о д з е м н ы е в о д ы как э л е м е н т г и д р о с ф е р ы З е м л и
36
(см. рис. 2.1). П р и в ы с о к и х к о н ц е н т р а ц и я х р а с т в о р е н н ы х веществ
(подземные растворы) критическая температура возрастает до
450°С, д а в л е н и е — д о 3,5- 10 к П а . П р и этих условиях вода ха­
рактеризуется п о н и ж е н н ы м и з н а ч е н и я м и в я з к о с т и , у м е н ь ш е н и е м
в е л и ч и н ы р Н , п о в ы ш е н н о й э л е к т р о п р о в о д н о с т ь ю . В связи с э т и м
вода в надкритическом с о с т о я н и и приобретает свойства активного
растворителя и п р и н а л и ч и и п о в ы ш е н н ы х к о н ц е н т р а ц и й м е т а л ­
лов может являться о д н и м из ф а к т о р о в гидротермального рудообр а з о в а н и я ( К р а й н о в и др., 2004).
4
П о с у щ е с т в у ю щ и м п р е д с т а в л е н и я м вода в н а д к р и т и ч е с к о м
состоянии представляет собой газово-жидкий раствор (флюид),
о б р а з о в а н и е которого с в я з а н о с к р и с т а л л и з а ц и е й магм и с п р о ­
цессами т е р м о - и д и н а м о м е т а м о р ф и з м а .
П р и с н и ж е н и и д а в л е н и я " н а д к р и т и ч е с к а я " вода переходит в
" н о р м а л ь н у ю " ж и д к о с т ь и п а р ( п а р о в о д я н у ю смесь), что п о су­
щ е с т в у ю щ и м п р е д с т а в л е н и я м с о п р о в о ж д а е т с я у в е л и ч е н и е м ее
объема в 1,5—2,0 раза («Основы гидрогеологии». Т. 1. 1980).
Связанной называется вода, входящая в состав породообразую­
щих м и н е р а л о в и минеральных с о е д и н е н и й или р а з л и ч н ы м обра­
зом связанная с поверхностью минерального скелета (частиц) гор­
ной п о р о д ы . У с л о в н о в качестве с в я з а н н о й ( н е с в о б о д н о й ) м о ж е т
рассматриваться вакуольная вода и вода в твердом с о с т о я н и и (лед).
Вода, химически связанная с к р и с т а л л и ч е с к о й структурой м и н е ­
ралов, существует в ф о р м е кристаллизационной
в о д ы , входящей в
к р и с т а л л и ч е с к у ю р е ш е т к у м и н е р а л о в в виде молекул Н 0 (гипс
C a S 0 • 2 Н 0 , мирабилит N a S 0 • 1 0 Н О и др.);
конституционной
( н е м о л е к у л я р н а я ф о р м а — Н, О Н " ) и
координационно-связанной
атомами или ионами решетки минералов. Связь с кристаллической
решеткой минералов характеризуется величиной 84—840 к Д ж / м о л ь .
У д а л я е т с я из п о р о д ы п р и нагреве д о т е м п е р а т у р ы в ы ш е 200°С
( К р а й н о в и др., 2004).
2
4
2
2
4
2
Удаление кристаллизационной воды в большинстве случаев п р и ­
водит к разрушению кристаллической решетки минералов и ф о р м и ­
р о в а н и ю безводных м о д и ф и к а ц и й этих с о е д и н е н и й . У ряда м и н е ­
ралов (анальцим N a A l S 0 • Н 0 , н о н т р о л и т N a A l S i O • 2 Н 0
и др.) удаление молекул воды п р о и с х о д и т без р а з р у ш е н и я к р и с ­
т а л л и ч е с к о й р е ш е т к и , в ряде случаев даже без н а г р е в а н и я д о в ы ­
с о к и х температур, и ее с о д е р ж а н и е может восстанавливаться п р и
и з м е н е н и и т е р м о д и н а м и ч е с к и х у с л о в и й . П о д о б н а я вода в о т л и ­
чие от к р и с т а л л и з а ц и о н н о й называется
цеолитной.
2
2
4
| 7
2
2
2
3
1 0
2
Вода, физико-химически
и физически связанная с п о в е р х н о с т ь ю
минералов с энергией связи 0,42—84 к Д ж / м о л ь , называется адсорб-
http://geoschool.web.ru
Глава 2. С о с т а в и с т р о е н и е п о д з е м н о й г и д р о с ф е р ы
37
ционно-связанной
и л и "'прочносвязанной"'. О н а образует н а п о в е р х ­
ности м и н е р а л о в слои м о н о м о л е к у л я р н о й и п о л и м о л е к у л я р н о й а д ­
с о р б ц и и с о б щ е й т о л щ и н о й п л е н к и И = 0,001 —0,002 мкм (рис. 2.2).
\
Рис. 2.2. Схема взаимодействия сил в системе твердая частица—вода (Крайнов и др.,
2004, по НА. Цитовичу): а — схема расположения молекул воды в пределах диф­
фузионного слоя твердой частицы, б — эпюра изменения поверхностных сил (Р)
в зависимости от расстояния до минеральной частицы (L); 1—3 — вода: / — сво­
бодная, 2 — адсорбированная "прочносвязанная", 3 — поверхностных слоев
"рыхлое вязанная"
http://geoschool.web.ru
38
Часть I. П о д з е м н ы е воды как э л е м е н т г и д р о с ф е р ы З е м л и
Вода переходного
состояния:
(от с в я з а н н о й — к с в о б о д н о й )
подразделяется ( К р а й н о в и др.) на с л е д у ю щ и е подвиды:
1) вода осмотически
поглощенная
(осмотическая), формирую­
щ а я с я в области д в о й н о г о э л е к т р и ч е с к о г о слоя за счет п о ­
в е р х н о с т н о - о с м о т и ч е с к и х сил ("рыхлосвязанная"
вода). Т о л ­
щ и н а п л е н к и h =0,001—0,01 м к м , в о з м о ж н о д о 0,1 м к м ;
W
7
7
2) вода капиллярно-конденсированная
из молекул в о д я н о г о пара
и капиллярно-осмотическая,
ф о р м и р у ю щ и е с я в порах с д и а ­
метром 0,001—0,1 м к м ( к а п и л л я р н о - " н е п о д в и ж н а я " вода);
3) вода собственно капиллярная
в с к в о з н ы х порах с д и а м е т р о м
1 — 100 м к м , о б л а д а ю щ а я с п о с о б н о с т ь ю к к а п и л л я р н о м у
п о д н я т и ю над с в о б о д н ы м у р о в н е м воды (см. к а п и л л я р н а я
к а й м а ) , и капиллярно-гравитационная
в порах с д и а м е т р о м
10 —10 м к м , с п о с о б н а я передвигаться при н е б о л ь ш и х и з ­
менениях давления.
Структура и свойства с в я з а н н о й воды изучены в о с н о в н о м
п р и м е н и т е л ь н о к т о н к о д и с п е р с н ы м г л и н и с т ы м породам ( З л о ч е в ская и др.) П о существующим представлениям а д с о р б ц и о н н а я
("прочносвязанная")
вода имеет т а к н а з ы в а е м у ю " к в а з и т в е р д у ю "
( у п о р я д о ч е н н у ю ) структуру и ее свойства з н а ч и т е л ь н о о т л и ч а ю т ­
ся от с в о й с т в с в о б о д н о й воды. В п л е н к е т о л щ и н о й д о 0,001 —
0,002 м к м вода находится в " ж и д к о м " с о с т о я н и и д о — 10... 12°С и
ее з а м е р з а н и е п р о и с х о д и т п о с т е п е н н о в интервале температур от
-12 д о -80...100°С.
З а м е р з а н и е с в я з а н н о й воды в м и к р о к а п и л л я р а х (t/ = 0,002—
0,1 м к м ) в з а в и с и м о с т и от р а з м е р о в п о р п р о и с х о д и т при т е м п е р а ­
турах - 1 . . . 10°С.
П о н е к о т о р ы м д а н н ы м , п л о т н о с т ь а д с о р б и р о в а н н о й воды в
среднем может достигать 1,2—1,5 г / с м . В о т л и ч и е от с в о б о д н о й
связанная вода характеризуется существенно о т л и ч н ы м и з н а ч е н и я ­
ми вязкости, теплоемкости,
электропроводности
и др. (Крайнов
и д р . , 2004).
П о экспериментальным оценкам (П.А. Крюков, А.А. Родэ и др.),
с в я з а н н а я вода (в о т л и ч и е от с в о б о д н о й ) имеет з н а ч и т е л ь н о более
н и з к у ю растворяющую
способность, в связи с чем а д с о р б ц и о н н о с в я з а н н а я " г и г р о с к о п и ч е с к а я " влага в г л и н и с т ы х породах может
образовывать так называемый "нерастворяющий объем чистой
в о д ы " в полимолекулярном (до 10—20) слое, не содержащий раст­
в о р е н н ы х солей.
С в я з а н н а я вода (по-видимому, к р о м е к а п и л л я р н о - г р а в и т а ц и о н ­
н о й ) не передает гидростатического д а в л е н и я и не передвигается
под д е й с т в и е м с и л ы тяжести.
2
3
3
http://geoschool.web.ru
Глава 2. С о с т а в и с т р о е н и е п о д з е м н о й г и д р о с ф е р ы
39
С п е ц и ф и ч е с к и м и в и д а м и с в я з а н н о й ( н е с в о б о д н о й ) воды я в ­
л я ю т с я и м м о б и л и з о в а н н а я ( в а к у о л ь н а я ) вода и вода в т в е р д о м
с о с т о я н и и (лед).
Иммобилизованной
( в а к у о л ь н о й ) называется вода, к о т о р а я с о ­
д е р ж и т с я в и з о л и р о в а н н ы х пустотах м и н е р а л ь н о г о скелета г о р ­
ных пород (вакуолях). По условиям ф о р м и р о в а н и я подобные
и з о л и р о в а н н ы е пустоты могут б ы т ь р а з л и ч н ы м и : о т д е л ь н ы е поры
о с а д о ч н ы х д и с п е р с н ы х горных пород, о б о с о б л е н н ы е в результате
ц е м е н т а ц и и п о р о в о г о п р о с т р а н с т в а (см. гл. 3); м и к р о п у с т о т ы в
кристаллах и минералах, закрытые (изолированные) непосред­
с т в е н н о в процессе м и н е р а л о о б р а з о в а н и я ; и з о л и р о в а н н ы е м и к р о ­
пустоты, ф о р м и р у ю щ и е с я при о с т ы в а н и и и у м е н ь ш е н и и о б ъ е м а
магматических горных пород и др. Состав и м м о б и л и з о в а н н о й
воды в той или и н о й мере всегда отражает т е р м о д и н а м и ч е с к у ю и
м и н е р а л о г о - г е о х и м и ч е с к у ю о б с т а н о в к у на м о м е н т о б р а з о в а н и я и
«запечатывания» вакуолей и может б ы т ь с у щ е с т в е н н о р а з л и ч н ы м
(газоводяные с м е с и , р а з л и ч н ы й к о м п л е к с и к о н ц е н т р а ц и я раст­
воренных веществ и др.). И м м о б и л и з о в а н н а я вода может перехо­
дить в свободную (другие виды воды) главным образом в результате
механического р а з р у ш е н и я горных пород и м и н е р а л о в ( " р а с к р ы ­
т и е " и з о л и р о в а н н ы х пустот).
Вода в твердом состоянии (лед) ш и р о к о р а с п р о с т р а н е н а в п о д ­
з е м н о й гидросфере в области развития м н о г о л е т н е м е р з л ы х пород
и вне этой области — в п р и п о в е р х н о с т н о м слое с е з о н н о г о п р о ­
м е р з а н и я . П о д з е м н ы й л е д образует м е л к и е к р и с т а л л ы в п о р о в о м
пространстве дисперсных осадочных пород (промороженных в
в о д о н а с ы щ е н н о м с о с т о я н и и ) или залегает в виде ж и л и п р о с л о е в ,
м о щ н о с т ь ю в отдельных случаях до н е с к о л ь к и х д е с я т к о в метров.
2.2. Строение подземной гидросферы
(гидрогеосферы)
С т р о е н и е п о д з е м н о й части г и д р о с ф е р ы , к о л и ч е с т в о в о д ы , с о ­
д е р ж а щ е е с я в г о р н ы х породах, и ее ф а з о в о е с о с т о я н и е в более
ш и р о к о м с м ы с л е — р а с п р е д е л е н и е и д в и ж е н и е р а з л и ч н о й воды
определяются термодинамическими условиями разреза земной
коры, строением и историей геологического развития ее о с н о в н ы х
структурных элементов, составом и свойствами (типом) горных
пород и в верхней части разреза в з н а ч и т е л ь н о й мере р е л ь е ф о м и
гидрографией с о в р е м е н н о й поверхности, а также к л и м а т и ч е с к и м и
условиями конкретных территорий.
http://geoschool.web.ru
40
Часть I. П о д з е м н ы е воды как э л е м е н т г и д р о с ф е р ы З е м л и
О б о б щ е н н ы й гидрогеологический разрез з е м н о й к о р ы , харак­
т е р и з у ю щ и й у с л о в и я з а л е г а н и я п о д з е м н ы х вод и п р и н ц и п и а л ь ­
н у ю схему их д в и ж е н и я , приведен на рис. 2.3.
В соответствии с с у щ е с т в у ю щ и м и п р е д с т а в л е н и я м и (О. М е й н цер, Е.В. П и н н е к е р Ф . П . С а в а р е н с к и й , A . M . С в е ш н и к о в и др.) в
гидрогеологическом разрезе з е м н о й к о р ы сверху вниз от поверх­
ности земли могут быть выделены: з о н а а э р а ц и и , к р и о л и т о з о н а ,
з о н а н а с ы щ е н и я ( п о л н о г о н а с ы щ е н и я ) и з о н а п о д з е м н ы х вод в
н а д к р и т и ч е с к о м с о с т о я н и и (рис. 2.3).
Зона аэрации — п о н я т и е введено а м е р и к а н с к и м гидрогеологом
О. М е й н ц е р о м (1933) — представляет собой верхнюю не полностью
н а с ы щ е н н у ю ( н е н а с ы щ е н н у ю ) водой часть разреза горных пород,
м о щ н о с т ь к о т о р о й и з м е н я е т с я от п е р в ы х с а н т и м е т р о в (метров)
на р а в н и н н ы х п о н и ж е н н ы х участках т е р р и т о р и и д о 200—250 м и
более н а и н т е н с и в н о р а с ч л е н е н н ы х м е ж д у р е ч н ы х п р о с т р а н с т в а х
горных районов. Верхней границей зоны аэрации является поверх­
н о с т ь з е м л и , н и ж н е й — п о в е р х н о с т ь ( у р о в е н ь ) п о д з е м н ы х вод
первого в о д о н о с н о г о горизонта.
В пределах а к в а т о р и и М и р о в о г о о к е а н а , а на к о н т и н е н т а х и
островах под руслами рек и в н у т р е н н и х водоемов в т о м случае,
если п о д з е м н ы е воды первого в о д о н о с н о г о горизонта и м е ю т н е ­
п о с р е д с т в е н н у ю гидравлическую связь с п о в е р х н о с т н ы м и в о д а м и ,
зона а э р а ц и и ( н е п о л н о г о н а с ы щ е н и я ) отсутствует.
Криолитозона выделяется к а к с а м о с т о я т е л ь н ы й э л е м е н т п о д ­
з е м н о й г и д р о с ф е р ы в области р а с п р о с т р а н е н и я м н о г о л е т н е м е р з лых пород (высокие широты Северного и Южного полушария,
в ы с о к о г о р н ы е р а й о н ы ) . В з а в и с и м о с т и от с т р о е н и я гидрогеологи­
ч е с к о г о разреза з е м н о й коры о н а о б ы ч н о охватывает часть з о н ы
а э р а ц и и и в е р х н ю ю часть з о н ы п о л н о г о н а с ы щ е н и я . М о щ н о с т ь
к р и о л и т о з о н ы в з а в и с и м о с т и от к л и м а т и ч е с к и х условий м е с т н о с ­
ти (главным о б р а з о м среднегодовые температуры воздуха), геоло­
г и ч е с к о г о с т р о е н и я и г е о т е м п е р а т у р н ы х у с л о в и й верхней части
разреза з е м н о й коры изменяется от первых метров д о 1000—1500 м
и более ( Р о м а н о в с к и й , 1983; Е р ш о в , 2002; и др.).
В условиях к р и о л и т о з о н ы о с н о в н а я масса п о д з е м н ы х вод н а ­
ходится в т в е р д о м с о с т о я н и и (лед, газовые г и д р а т ы ) , а т а к ж е в
виде ф и з и ч е с к и с в я з а н н о й воды, п р о м е р з а н и е которой п р о и с х о ­
д и т п р и температурах н и ж е 0°С. С в о б о д н а я г р а в и т а ц и о н н а я вода
в пределах к р и о л и т о з о н ы может б ы т ь связана т о л ь к о с участками
р а с п р о с т р а н е н и я горных пород, н а х о д я щ и х с я в талом с о с т о я н и и ,
или в тех случаях, когда вода в с в я з и с п о в ы ш е н н о й м и н е р а л и з а ­
цией не замерзает п р и о т р и ц а т е л ь н ы х температурах (см. гл. 12).
http://geoschool.web.ru
Рис. 2.3. Принципиальный гидрогеологический разрез земной коры: 1 — осадочные породы земной коры; 2 — гранитный и
базальтовый слой земной коры; 3 — верхняя мантия; 4 — зоны глубоких тектонических разломов; 5 — зона аэрации (вне
масштаба); 6 — криолитозона (геокриолитозона); 7 — зона полного насыщения; 8 — зона подземных вод в надкритическом
состоянии; 9 — нижняя граница зоны аэрации; 10 — подошва осадочных пород; 11 — нижняя граница зоны полного насыщения;
12 — граница Мохоровичича; 13 — направления движения "местных" потоков подземных вод; 14 — региональных потоков;
15 — глубинных субвертикальных потоков; 16 — возможное поступление ювенильных растворов; 17 — инфильтрационное
питание; 18 — испарение грунтовых вод; 19 — захоронение морской воды с осадками и отжатие поровых вод
Глава 2. С о с т а в и с т р о е н и е п о д з е м н о й г и д р о с ф е р ы
http://geoschool.web.ru
41
42
Часть I. П о д з е м н ы е воды как элемент г и д р о с ф е р ы З е м л и
Зона полного насыщения охватывает в е р х н ю ю часть разреза з е м ­
ной к о р ы о т уровня первого в о д о н о с н о г о горизонта ( н и ж н я я гра­
н и ц а з о н ы а э р а ц и и ) д о глубин 8—20 км (см. рис. 2.3), на которых
по с у щ е с т в у ю щ и м п р е д с т а в л е н и я м температура и д а в л е н и е вод­
ных растворов д о с т и г а ю т к р и т и ч е с к и х з н а ч е н и й (см. р и с . 2.1).
В пределах з о н ы п о л н о г о н а с ы щ е н и я (в соответствии с ее на­
з в а н и е м ) с в о б о д н о е п р о с т р а н с т в о в м и н е р а л ь н о м скелете горных
пород ( п о р ы , т р е щ и н ы , к р у п н ы е пустоты) п о л н о с т ь ю з а п о л н е н о
с в о б о д н о й г р а в и т а ц и о н н о й водой и водой, ф и з и ч е с к и с в я з а н н о й
с поверхностью минеральных частиц горной породы, за исключени­
ем участков (слоев, з о н ) , свободное пространство которых запол­
н е н о газом, ж и д к и м и углеводородами или п а р о в о д я н о й с м е с ь ю .
П о л о ж е н и е н и ж н е й границы зоны полного н а с ы щ е н и я о б о с н о ­
вывается в н а с т о я щ е е время т о л ь к о исходя из п р е д с т а в л е н и й о
т е р м о д и н а м и ч е с к и х условиях разреза з е м н о й к о р ы и ф а з о в о - а г р е гатном с о с т о я н и и воды при в ы с о к и х д а в л е н и я х и температурах,
п о с к о л ь к у эта г р а н и ц а п о к а не вскрыта б у р о в ы м и с к в а ж и н а м и .
М а т е р и а л ы К о л ь с к о й сверхглубокой с к в а ж и н ы свидетельствуют о
том, что на глубинах д о 12 км существуют условия, характерные
для зоны полного н а с ы щ е н и я . В то же время в связи с наличием
представлений о надкритическом состоянии воды в магматических
расплавах ( П и н н е к е р , 1983) м о ж н о предполагать, что в областях
современного вулканизма нижняя граница зоны полного насы­
щ е н и я м о ж е т р а с п о л а г а т ь с я на з н а ч и т е л ь н о м е н ь ш и х глубинах.
П о и м е ю щ и м с я д а н н ы м в ряде р а й о н о в с о в р е м е н н о г о в у л к а н и з ­
ма п а р о г и д р о т е р м ы с т е м п е р а т у р а м и , б л и з к и м и к к р и т и ч е с к и м
з н а ч е н и я м (до 300°С и более), в с к р ы т ы б у р о в ы м и с к в а ж и н а м и на
глубинах 1500—2000 м ( М е к с и к а , С ь е р р а - П р и е т о , с к в а ж и н а глу­
б и н о й 1500 м, температура воды 388°С).
Н и ж н я я часть разреза з е м н о й коры д о г р а н и ц ы с верхней м а н ­
т и е й р а с с м а т р и в а е т с я в н а с т о я щ е е время ( Е . В . П и н н е к е р и др.)
как зона, с о д е р ж а щ а я п о д з е м н ы е воды в н а д к р и т и ч е с к о м с о с т о я ­
н и и . М о щ н о с т ь этой з о н ы в пределах к о н т и н е н т о в достигает, ве­
р о я т н о , 20—30 км и более (см. р и с . 2.3).
Движение подземных вод в земной коре является составной частью
общего круговорота воды на планете. В то же время с геологических
п о з и ц и й д в и ж е н и е воды в з е м н ы х недрах, в к л ю ч а ю щ е е п р о с т ы е
(механическая, физическая, химическая) и сложные ф о р м ы дви­
ж е н и я ( б и о л о г и ч е с к а я , т е х н о г е н н а я ) , п е р е х о д ы воды и з о д н о г о
ф а з о в о - а г р е г а т н о г о с о с т о я н и я в другое и п р о ц е с с ы в з а и м о д е й с т ­
вия воды с г о р н ы м и породами, рассматривается в настоящее время
в качестве в а ж н е й ш е й с о с т а в л я ю щ е й геологической ф о р м ы д в и ­
ж е н и я материи (А.Н. П а в л о в , Е.В. П и н н е к е р и д р . ) .
http://geoschool.web.ru
Глава 2. С о с т а в и с т р о е н и е п о д з е м н о й г и д р о с ф е р ы
43
В качестве о с н о в н ы х в и д о в ( с о с т а в л я ю щ и х ) е д и н о й г е о л о г и ­
ческой формы движения материи применительно к д в и ж е н и ю
с о б с т в е н н о п о д з е м н ы х вод о б ы ч н о р а с с м а т р и в а ю т с я два о с н о в ­
ных вида круговорота воды в з е м н о й коре — г и д р о г е о л о г и ч е с к и й
и геологический (рис. 2.4).
Рис. 2.4. Взаимосвязь гидрологического и геологического круговоротов воды
в земных недрах (по Е.В. Пиннекеру, 1980)
http://geoschool.web.ru
44
Часть I. П о д з е м н ы е воды как э л е м е н т г и д р о с ф е р ы З е м л и
Гидрогеологический
круговорот воды в з е м н о й коре ч а щ е р а с ­
сматривается к а к составная часть более сложного гидрологическо­
го ( к л и м а т и ч е с к о г о ) круговорота воды на планете ( А . Н . П а в л о в ,
Е.В. П и н н е к е р ) , о д н а к о п р и м е н и т е л ь н о к д в и ж е н и ю с о б с т в е н н о
п о д з е м н ы х вод о н , безусловно, д о л ж е н рассматриваться с а м о с т о я ­
тельно. Гидрогеологический круговорот о б ъ е д и н я е т д в и ж е н и е п а ­
р о о б р а з н о й , п р о с а ч и в а ю щ е й с я и ф и з и ч е с к и с в я з а н н о й воды в
з о н е а э р а ц и и ; переходы воды и з твердого с о с т о я н и я в ж и д к о е и
о б р а т н о в пределах к р и о л и т о з о н ы ; д в и ж е н и е п а р о о б р а з н о й , ф и ­
зически с в я з а н н о й и с в о б о д н о й г р а в и т а ц и о н н о й воды в зоне п о л ­
ного н а с ы щ е н и я . Через поверхность земли э т а ветвь п о д з е м н о г о
круговорота т е с н е й ш и м образом с в я з а н а с п р о ц е с с а м и , п р о т е к а ю ­
щ и м и в а т м о с ф е р е и п о в е р х н о с т н о й гидросфере п л а н е т ы , и через
зону надкритических вод — с процессами, происходящими в
н и ж н е й части з е м н о й коры и верхней м а н т и и (рис. 2.4).
В а ж н е й ш е й составной частью гидрогеологического круговорота
воды является д в и ж е н и е с в о б о д н ы х ( г р а в и т а ц и о н н ы х ) п о д з е м н ы х
вод в пределах з о н ы п о л н о г о н а с ы щ е н и я , о п р е д е л я е м о е е д и н ы м
п о н я т и е м " п о д з е м н ы й с т о к " ( Б . И . Куделин). В этом случае зона
полного насыщения рассматривается как система в различной
степени взаимодействующих потоков свободных (гравитацион­
ных) п о д з е м н ы х в о д , с в я з а н н ы х с г е о л о г и ч е с к и м и с т р у к т у р а м и
разного т и п а и размера, о т д е л ь н ы м и с л о я м и и т о л щ а м и горных
пород, з о н а м и т р е щ и н о в а т о с т и и д р .
В о б щ е м случае б е з учета с в о й с т в с р е д ы д в и ж е н и е п о т о к о в
п о д з е м н ы х вод в пределах з о н ы п о л н о г о н а с ы щ е н и я определяется
г и д р о д и н а м и ч е с к и м и у с л о в и я м и на верхней и н и ж н е й границах
этой з о н ы . В пределах современных к о н т и н е н т о в условия на верх­
ней гидродинамической границе определяются положением уровня
подземных вод первого водоносного горизонта (уровень з о н ы п о л ­
ного н а с ы щ е н и я ) и могут быть о х а р а к т е р и з о в а н ы з а в и с и м о с т ь ю
H=f(x,y,t),
(2.1)
где Н — а б с о л ю т н а я о т м е т к а уровня п о д з е м н ы х в о д , м; х, у —
п р о с т р а н с т в е н н ы е к о о р д и н а т ы ; / — геологическое время.
В соответствии с условием на верхней границе в пределах совре­
м е н н ы х к о н т и н е н т о в в верхней части разреза з о н ы п о л н о г о н а с ы ­
щ е н и я д о г л у б и н 300—500 м ( п р и с о о т в е т с т в у ю щ е м с т р о е н и и
гидрогеологического разреза, в е р о я т н о , д о глубин 1000—1500 м и
более) ф о р м и р у е т с я т а к н а з ы в а е м а я система " м е с т н ы х " п о т о к о в
п о д з е м н ы х вод, с в я з а н н ы х с с о в р е м е н н ы м р е л ь е ф о м к о н к р е т н ы х
территорий и условиями взаимодействия подземных вод с поверх­
н о с т н ы м и водами и а т м о с ф е р о й (см. р и с . 2.3).
http://geoschool.web.ru
Глава 2. С о с т а в и с т р о е н и е п о д з е м н о й г и д р о с ф е р ы
45
Ниже на глубинах до 3000—5000 м, возможно более, может быть
выделена зона р е г и о н а л ь н ы х п о т о к о в п о д з е м н ы х вод, н а п р а в л е ­
ние которых с в я з а н о главным образом с о с н о в н ы м и э л е м е н т а м и
современного рельефа суши (водоразделы океанических и морских
б а с с е й н о в , р е ч н ы х систем I п о р я д к а , п р и м о р с к и е н и з м е н н о с т и ,
о б ш и р н ы е в н у т р и к о н т и н е н т а л ь н ы е в п а д и н ы и д р . ) . Структура р е ­
гиональных потоков подземных вод в решающей степени определя­
ется строением гидрогеологического разреза к о н к р е т н ы х регионов,
а т а к ж е составом и с в о й с т в а м и в о д о в м е щ а ю щ и х пород.
В н и ж н е й части з о н ы п о л н о г о н а с ы щ е н и я , а на участках, где
гидрогеологический разрез н е п о с р е д с т в е н н о с поверхности пред­
ставлен к р и с т а л л и ч е с к и м и п о р о д а м и (магматические и м е т а м о р ­
ф и ч е с к и е ф о р м а ц и и ) , уже н а г л у б и н а х 500—1000 м, в о з м о ж н о
меньше, о с н о в н ы м видом д в и ж е н и я подземных вод является ф о р ­
м и р о в а н и е л и н е й н о - л о к а л ь н ы х субвертикальных п о т о к о в , с в я з а н ­
ных с зонами п о в ы ш е н н о й т р е щ и н о в а т о с т и и п р о н и ц а е м о с т и
(см. р и с . 2.3). В пределах зон р а з р ы в н ы х н а р у ш е н и й сверхглубин­
ного з а л о ж е н и я ( п р о н и к а ю щ и х через в с ю т о л щ у з е м н о й к о р ы )
д в и ж е н и е потоков подземных вод, вероятно, в р е ш а ю щ е й степени
связано с ф о р м и р о в а н и е м избыточных давлений в зоне подземных
вод в надкритическом с о с т о я н и и (гидродинамические условия на
н и ж н е й границе зоны полного н а с ы щ е н и я ) , а также с поступлени­
ем м а н т и й н ы х ф л ю и д о в . П о д флюидом в этом случае понимается
п о л и к о м п о н е н т н а я смесь летучих веществ, существенным эле­
ментом которой является вода в н а д к р и т и ч е с к о м с о с т о я н и и и л и
п р о д у к т ы ее т е р м и ч е с к о й ( с в о б о д н ы е в о д о р о д и к и с л о р о д ) и
электролитической (протон Н , гидроксил О Н ' и кислородный
ион О ) д и с с о ц и а ц и и ( О с н о в ы гидрогеологии, 1980).
+
2
С о б с т в е н н о геологический круговорот воды в п о д з е м н о й гидро­
сфере неразрывно связан с историей развития земной коры и
Земли. О с н о в н ы м и г е о л о г и ч е с к и м и п р о ц е с с а м и , о п р е д е л я ю щ и м и
ф о р м и р о в а н и е , м а с ш т а б ы и и н т е н с и в н о с т и геологического круго­
ворота воды, я в л я ю т с я п р о ц е с с ы о с а д к о н а к о п л е н и я ( с е д и м е н т о генез), л и т о г е н е з а и м е т а м о р ф и з м а горных п о р о д , а т а к ж е п р о ­
цессы п о г л о щ е н и я о к е а н и ч е с к и х вод в р и ф т о в ы х зонах о к е а н о в с
последующим п е р е м е щ е н и е м и преобразованием этих вод в п о р о ­
дах о к е а н и ч е с к о й и к о н т и н е н т а л ь н о й коры ( К и р ю х и н , Короткое,
П а в л о в , 1988).
Ф о р м и р о в а н и е осадков в водной среде (участки о с а д к о н а к о п л е ­
ния в пределах с у ш и , о т к р ы т ы е и в н у т р и к о н т и н е н т а л ь н ы е м о р я ,
М и р о в о й океан) н е и з б е ж н о сопровождается " с в я з ы в а н и е м " и " з а ­
х о р о н е н и е м " воды соответствующего бассейна о с а д к о н а к о п л е н и я ,
http://geoschool.web.ru
46
Часть I. П о д з е м н ы е воды как э л е м е н т г и д р о с ф е р ы Земли
объем которой определяется о б ъ е м о м (массой) и в е л и ч и н а м и о б ­
щей пористости с в е ж е о с а ж д е н н о г о осадка.
В з а в и с и м о с т и от гранулометрического и м и н е р а л о г о - г е о х и м и ческого состава осадков з н а ч е н и е о б ш е й ( о б ъ е м н о й ) пористости
и соответственно п о л н о й влагоемкости (см. гл. 3), у ч и т ы в а ю щ е й
суммарно количество свободной и физически связанной воды,
изменяется от 30 д о 80% и более.
П о с у щ е с т в у ю щ и м п р е д с т а в л е н и я м ( Н . Б . Вассоевич, В.В. М у ­
хин и др.) п р о ц е с с ы у п л о т н е н и я г л и н и с т ы х пород и с в я з а н о е с
н и м и отжатие поровых вод наиболее р е з к о происходят в верхней
части разреза и с п о с т е п е н н о у м е н ь ш а ю щ е й с я и н т е н с и в н о с т ь ю
продолжаются д о глубины 3000—3500 м и более. Т а к , при погру­
ж е н и и с в е ж е о с а ж д е н н ы х илов на глубины д о 100 м в е л и ч и н а о б ­
щей пористости у м е н ь ш а е т с я на 30—40% (от 70—80 д о 40—45%),
при этом о т ж и м а ю щ и е с я п о р о в ы е растворы п о с т у п а ю т г л а в н ы м
о б р а з о м через т о л щ у п е р е к р ы в а ю щ и х н е у п л о т н е н н ы х п о р о д о б ­
ратно в бассейн о с а д к о н а к о п л е н и я . На глубинах 400—500 м п о ­
ристость у м е н ь ш а е т с я д о 36—40%, к глубине 2000 м — д о 20%,
3000 м — д о 10% и менее, е щ е глубже пористость т о н к о д и с п е р с ­
ных (глинистых) пород в процессе их у п л о т н е н и я и л и т и ф и к а ц и и
уменьшается д о первых п р о ц е н т о в . У м е н ь ш е н и е пористости т о н ­
к о д и с п е р с н ы х п о р о д п р и у п л о т н е н и и п р и в о д и т к отжатию из
них б о л ь ш и х о б ъ е м о в п о р о в ы х вод, п о с т у п а ю щ и х в п о д з е м н у ю
гидросферу. Причем если на первых стадиях уплотнения о т ж и м а ­
ется свободная и рыхл ос вязанная вода, то при давлениях и т е м п е ­
ратурах, характерных для глубин 3000—5000 м, в о з м о ж н о отжатие
воды п р о ч н о с в я з а н н о й с ч а с т и ц а м и м и н е р а л ь н о г о скелета. К р о м е
собственно процессов отжатия поровых вод д о п о л н и т е л ь н ы е (весь­
ма з н а ч и т е л ь н ы е ) о б ъ е м ы воды в ы с в о б о ж д а ю т с я из г л и н и с т ы х
пород в результате д е г и д р а т а ц и и и л и т о г е н е т и ч е с к и х и з м е н е н и й
состава глинистых м и н е р а л о в ( О с н о в ы гидрогеологии, 1980).
Рассматриваемый (первый) этап геологического круговорота
воды, с в я з а н н ы й с з а х о р о н е н и е м и отжатием поровых растворов,
н о с и т н а з в а н и е седиментогенного
(или элизионного), и подзем­
н ы е воды, о б р а з у ю щ и е с я в результате этого процесса, н а з ы в а ю т с я
седиментогенными
(седиментационными).
Д а л ь н е й ш е е п о г р у ж е н и е о с а д о ч н ы х п о р о д в глубоких г е о л о ­
г и ч е с к и х структурах ( и з в е с т н ы с т р у к т у р ы , где м о щ н о с т ь п о р о д
о с а д о ч н о г о чехла д о с т и г а е т 10—15 км и более) с о п р о в о ж д а е т с я
п р о ц е с с а м и их метаморфизации
(региональный метаморфизм), в
результате которого происходит д а л ь н е й ш е е " о б е з в о ж и в а н и е "
http://geoschool.web.ru
Глава 2. Состав и с т р о е н и е п о д з е м н о й г и д р о с ф е р ы
47
горных п о р о д и с в я з а н н о е с э т и м ф о р м и р о в а н и е с в о б о д н ы х (?)
п о д з е м н ы х вод. Ф о р м и р о в а н и е с в о б о д н о й воды происходит в р е ­
зультате о с в о б о ж д е н и я о с т а т о ч н ы х к о л и ч е с т в п р о ч н о с в я з а н н о й
воды, с о х р а н я ю щ е й с я на стадии п о л н о й л и т и ф и к а ц и и о с а д о ч н ы х
пород ( п р е д п о л о ж и т е л ь н о д о 5% от объема п о р о д ы ) , а т а к ж е " о с ­
в о б о ж д е н и я " к р и с т а л л и з а ц и о н н ы х , цеолитных, а в о з м о ж н о , и к о н ­
с т и т у ц и о н н ы х вод при п е р е к р и с т а л л и з а ц и и и д е г и д р а т а ц и и ряда
глинистых м и н е р а л о в в процессе п р о г р е с с и в н о г о м е т а м о р ф и з м а .
По с о в р е м е н н ы м о ц е н к а м количество воды, в ы д е л я ю щ е й с я при
м е т а м о р ф и з а ц и и н е к о т о р ы х т и п о в о с н о в н ы х пород (гидрослюды,
м о н т м о р и л л о н и т а , к а о л и н и т а и д р . ) , может достигать 15—25% от
их веса.
Н а з в а н н ы й этап геологического круговорота воды может р а с ­
сматриваться в качестве метаморфогенного (метаморфогенные воды).
П р и н ц и п и а л ь н о другой ветвью геологического круговорота воды
в з е м н о й коре я в л я ю т с я п р е д п о л а г а е м ы е п р о ц е с с ы п о г л о щ е н и я
о к е а н и ч е с к и х вод в пределах р и ф т о в ы х з о н о к е а н а с п о с л е д у ю ­
щ и м участием их в процессах с е р п е н т и н и з а ц и и м а н т и й н ы х пород
и ф о р м и р о в а н и я о к е а н и ч е с к о й коры. З а в е р ш е н и е этой ветви гео­
логического круговорота воды с ее возвращением в поверхностную
гидросферу п р е д п о л о ж и т е л ь н о может б ы т ь с в я з а н о с п р о ц е с с а м и
д е с е р п е н т и н и з а ц и и (дегидратации) пород о к е а н и ч е с к о й коры при
их погружении в районах глубоководных желобов и вулканической
деятельностью. К о л и ч е с т в е н н ы е о ц е н к и массы в о д ы , п р и н и м а ю ­
щей участие в д а н н о й ветви к р у г о в о р о т а и в о з м о ж н ы х с р о к о в
" в о д о о б м е н а " я в л я ю т с я в н а с т о я щ е е в р е м я весьма п р и б л и ж е н ­
н ы м и ( П а в л о в , 1977).
В з а к л ю ч е н и е следует отметить, что ф о р м и р о в а н и е гидрогео­
л о г и ч е с к о г о и г е о л о г и ч е с к о г о к р у г о в о р о т а воды в з е м н о й к о р е
происходит, е с т е с т в е н н о , не и з о л и р о в а н н о , а в условиях их т е с ­
ного и п о с т о я н н о г о в з а и м о д е й с т в и я . В к л ю ч е н и е " а т м о с ф е р н ы х "
( м е т е о р н ы х ) вод в г е о л о г и ч е с к и й к р у г о в о р о т п р о и с х о д и т путем
" з а х о р о н е н и я " воды с вновь ф о р м и р у ю щ и м и с я о с а д к а м и и путем
н и с х о д я щ е й ф и л ь т р а ц и и с в о б о д н ы х г р а в и т а ц и о н н ы х вод по п р о ­
н и ц а е м ы м з о н а м г л у б и н н ы х и сверхглубинных р а з л о м о в п р е д п о ­
л о ж и т е л ь н о д о з о н ы п о д з е м н ы х вод в н а д к р и т и ч е с к о м с о с т о я н и и
и, в о з м о ж н о , глубже (см. р и с . 2.3).
С другой стороны, с е д и м е н т о г е н н ы е , м е т а м о р ф о г е н н ы е и магмогенные воды, переходя в "свободное с о с т о я н и е " путем восходя­
щей фильтрации по зонам п о в ы ш е н н о й п р о н и ц а е м о с т и (тектони­
ческие н а р у ш е н и я , л о к а л ь н ы е з о н ы г л у б и н н о й т р е щ и н о в а т о с т и ,
http://geoschool.web.ru
Часть I. П о д з е м н ы е воды как э л е м е н т г и д р о с ф е р ы З е м л и
48
п о р о д ы , с о х р а н я ю щ и е о т н о с и т е л ь н о в ы с о к у ю п р о н и ц а е м о с т ь на
з н а ч и т е л ь н ы х глубинах, и т.д.), н е и з б е ж н о вовлекаются в систему
п о т о к о в п о д з е м н ы х вод, ф о р м и р у ю щ и х р а з л и ч н ы е ветви гидроге­
ологического круговорота воды в з е м н о й коре и далее — в поверх­
н о с т н у ю гидросферу.
Контрольные
вопросы к главе 2
1. Классификация
видов воды в горных породах,
2. Гидрогеологический разрез земной коры.
3. Гидрогеологический
круговорот воды. Система потоков
земных вод в зоне полного
насыщения.
4. Геологический круговорот воды в земной коре. Основные
подземных вод, формирующие геологический
круговорот.
Глава
под­
типы
3
ВОДНО-КОЛЛЕКТОРСКИЕ СВОЙСТВА
ГОРНЫХ ПОРОД
О с н о в н ы м и водно-коллекторскими (гидрогеологическими) с в о й ­
ствами горных п о р о д я в л я ю т с я их влагоемкость и
проницаемость,
с в я з а н н ы е с н а л и ч и е м в м и н е р а л ь н о м скелете п р а к т и ч е с к и всех
горных пород т а к н а з ы в а е м о г о " с в о б о д н о г о " пространства, не за­
нятого м и н е р а л ь н ы м веществом.
3.1. Скважность (пустотность) горных пород
С в о б о д н о е п р о с т р а н с т в о в м и н е р а л ь н о м скелете, п р е д с т а в л е н ­
ное пустотами р а з л и ч н о й ф о р м ы , размера и генезиса, называется
скважностью (пустотностью) горных пород и численно может быть
охарактеризовано объемным коэффициентом скважности (общая
или а б с о л ю т н а я с к в а ж н о с т ь )
я =-^100%,
с
(3.1)
э
где V — о б щ и й объем всех пустот, с о д е р ж а щ и х с я в д а н н о м э л е ­
менте горной п о р о д ы ; V — объем элемента.
В з а в и с и м о с т и от генезиса г о р н ы х п о р о д , а т а к ж е р а з м е р о в ,
к о л и ч е с т в а пустот и других ф а к т о р о в , п у с т о т ы в м и н е р а л ь н о м
n
3
http://geoschool.web.ru
49
Глава 3. В о д н о - к о л л е к т о р с к и е с в о й с т в а г о р н ы х п о р о д
скелете могут б ы т ь с о о б щ а ю щ и м и с я между с о б о й ( о т к р ы т ы м и )
или изолированными (закрытыми). Поскольку движение подземных
вод в о з м о ж н о т о л ь к о п о с и с т е м е с в я з а н н ы х ( о т к р ы т ы х ) пустот,
так как з а к р ы т ы е пустоты з а п о л н е н ы воздухом, газом или и м м о ­
б и л и з о в а н н о й ( в а к у о л ь н о й ) водой, наряду с о б щ и м ( а б с о л ю т н ы м )
з н а ч е н и е м с к в а ж н о с т и существует п о н я т и е к о э ф ф и ц и е н т а о т к р ы ­
той с к в а ж н о с т и ( п у с т о т н о с т и ) , к о т о р ы й о п р е д е л я е т с я к а к о т н о ­
ш е н и е о б щ е г о о б ъ е м а открытых ( с в я з а н н ы х между с о б о й ) пустот
к объему всей п о р о д ы (образца) — п .
Т а к как практически во всех случаях определенная часть объема
открытых пустот в м и н е р а л ь н о м скелете горных пород занята раз­
л и ч н ы м и в и д а м и с в я з а н н о й в о д ы , з а щ е м л е н н ы м воздухом и л и
газом и не является " о т к р ы т о й " для д в и ж е н и я с в о б о д н о й (грави­
тационной) воды, наряду с понятиями " о б щ е й " и " о т к р ы т о й "
скважности в гидрогеологии ш и р о к о используется п о н я т и е актив­
ной (динамической) скважности горных пород (п ), определяемой
как о т н о ш е н и е о б ъ е м а о т к р ы т ы х пустот, по к о т о р ы м п р о и с х о д и т
(может п р о и с х о д и т ь ) д в и ж е н и е г р а в и т а ц и о н н о й в о д ы , к о б ъ е м у
всей породы (образца).
В о б щ е м случае в е л и ч и н ы о б щ е й , открытой и а к т и в н о й с к в а ж ­
ности о п р е д е л я ю т с я с о о т н о ш е н и е м
0
а
п >п >п ,
с
а
(3.2)
Й
при этом с о о т н о ш е н и е з н а ч е н и й о т к р ы т о й и а к т и в н о й с к в а ж н о с ­
ти горных пород определяется главным образом п р е о б л а д а ю щ и ­
ми р а з м е р а м и пустот. В з а в и с и м о с т и от д и а м е т р а (D) пустот и л и
их ш и р и н ы (L) д л я пустот, и м е ю щ и х л и н е й н у ю ф о р м у , о б ы ч н о
различают три вида с к в а ж н о с т и (табл. 3.1).
Таблица 3.1
Виды скважности (пустотности) горных пород в зависимости от размеров
(Справочное руководство, 1979)
Вид
скважности
Диаметр
пустот D, мм
Ширина
L, мм
Соотношение открытой
и активной скважности
Субкапиллярная
менее 0,0002
менее 0,0001
п « п\ п ~ 0
Капиллярная
0,0002-0,5
0,0001-0,25
%
Сверхкапиллярная
более 0,5
более 0,25
"а =
а
а
Л
< "о
"о
Очевидно, что в породах со сверхкапиллярной скважностью
в пустотах к р у п н ы х р а з м е р о в (табл. 3.1) часть с в о б о д н о г о п р о ­
странства, з а н я т а я всеми в и д а м и с в я з а н н о й в о д ы , о т н о с и т е л ь н о
http://geoschool.web.ru
50
Часть I. П о д з е м н ы е воды как э л е м е н т г и д р о с ф е р ы З е м л и
н и ч т о ж н а в с р а в н е н и и с о б щ и м о б ъ е м о м пустот (п ~ я ) ; в ка­
пиллярных пустотах в зависимости от их размеров роль связанной
воды, в том числе к а п и л л я р н о - с в я з а н н о й ( к а п и л л я р н о - р а з о б щ е н ­
ная вода), может б ы т ь весьма с у щ е с т в е н н о й (п <п )\
в породах
с с у б к а п и л л я р н о й с к в а ж н о с т ь ю в предельном случае все сечение
пустот м и н е р а л ь н о г о скелета может быть з а н я т о с в я з а н н о й водой
К = 0).
О с н о в н ы м и м о р ф о м е т р и ч е с к и м и в и д а м и с к в а ж н о с т и горных
пород, которые о п р е д е л я ю т с я генезисом п о р о д ы и у с л о в и я м и ее
эпигенетического преобразования, являются пористость, трещиноватость и к а в е р н о з н о с т ь . В соответствии с п р е о б л а д а н и е м того
или иного вида с к в а ж н о с т и (типа пустот) все горные породы з е м ­
ной коры подразделяются на породы (среды) пористые (поровые),
т р е щ и н н ы е , каверновые и среды более сложных переходных т и п о в
с наличием двух или более м о р ф о м е т р и ч е с к и х т и п о в скважности
( п о р о в о - т р е щ и н н ы е , т р е щ и н н о - к а в е р н о в ы е и др.).
а
0
о
о
В современной гидрогеологической литературе скважность горных пород
чаше называют обшим понятием пористость (общая пористость, открытая, коэф­
фициент пористости и т.д.). Исторически это связано, вероятно, с ошибочным
переводом понятия "пустотность" в работе О. Мейнцера (1935) и является не­
верным, так как в этом случае название только одного морфометрического вида
пустот используется в качестве обобщающего понятия. Кроме того, с этим связа­
но использование ряда неверных по смыслу терминов и понятий "трещинная
пористость" (?!), "среда с двойной пористостью" и т.д.
Пористыми г о р н ы м и п о р о д а м и (в гидрогеологии чаще и с п о л ь ­
зуется п о н я т и е " п о р и с т ы е с р е д ы " , или " с р е д ы п о р о в о г о т и п а " )
называются п о р о д ы , у которых с в о б о д н о е п р о с т р а н с т в о представ­
л е н о р а з л и ч н ы м и по размерам (условно менее 1,0 мм) пустотами
изометрической формы.
Генетически пористость горных пород может б ы т ь представле­
на пустотами с у щ е с т в е н н о р а з л и ч н о г о типа: м е ж з е р н о в а я п о р и с ­
тость о с а д о ч н ы х р ы х л ы х и с л а б о с ц е м е н т и р о в а н н ы х п о р о д , с в я ­
з а н н а я с н е п л о т н о й у п а к о в к о й зерен (частиц) м и н е р а л ь н о г о с к е ­
лета; п о р и с т о с т ь , о б р а з у ю щ а я с я при о с т ы в а н и и и с в я з а н н о м с
этим у м е н ь ш е н и и объема магматических горных пород, а т а к ж е
пористость, с в я з а н н а я с п р о ц е с с а м и э п и г е н е т и ч е с к о г о и з м е н е н и я
горных пород ( п е р е к р и с т а л л и з а ц и я , в ы щ е л а ч и в а н и е р а с т в о р и м ы х
зерен минерального скелета, разуплотнение при у м е н ь ш е н и и д а в ­
л е н и я и др.).
Характерные значения общей пористости различных типов
горных пород п р и в е д е н ы в табл. 3.2.
http://geoschool.web.ru
Глава 3. В о д н о - к о л л е к т о р с к и е с в о й с т в а г о р н ы х п о р о д
51
Таблица 3.2
Значения к о э ф ф и ц и е н т а п о р и с т о с т и г о р н ы х п о р о д
(Справочное руководство, 1979)
Средняя
пористость, %
Породы
Свежие осадки
Иды глинистые
Торф
Различные типы почв
50,0
80,0
55,0
Породы верхней части
зоны выветривания
Пески
Лёсс, лессовидные суглинки
Покровные суглинки
Глины
35,0
45,0
35,0
35,0
Пески рыхлые
Песчаники
Глины
Гипс
Мел
Опока
Осадочные породы
25-35,0
10-20,0
20-40.0
1.0
30,0
35,0
Метаморфические породы
Сланцы глинистые и др.
Кварциты, гнейсы, мрамор
4,0
2,0
Магматические породы
Порфириты
Граниты, сиениты
Эффузивы
Интрузивы
2,0
1,0
2,0
1,0
В качестве т и п и ч н ы х поровых сред о б ы ч н о р а с с м а т р и в а ю т с я
только обломочные (кластические) горные породы, пористость
кшорълх, к а к Ъыло -указано в ы ш е , определяется н а л и ч и е м пустот
(пор) между зернами м и н е р а л ь н о г о скелета, и м е ю щ и м и различную
ф о р м у и размеры ( г р а н у л я р н ы е среды).
Общая пористость (коэффициент общей пористости) обло­
мочных пород определяется главным образом формой частиц,
с т е п е н ь ю их у п л о т н е н и я и о т с о р т и р о в а н н о с т ь ю и т е о р е т и ч е с к и
для пород, с л о ж е н н ы х о д н о р о д н ы м и по размеру ч а с т и ц а м и пра­
вильной ф о р м ы , не з а в и с и т от размера частиц.
Так, д л я о д н о р о д н ы х ч а с т и ц ш а р о в и д н о й ф о р м ы п р и их н е ­
плотной у п а к о в к е (рис. 3.1) к о э ф ф и ц и е н т о б щ е й п о р и с т о с т и , о п ­
р е д е л я е м ы й из с о о т н о ш е н и я
d3 ^
/3
100
1
100 = 47,7%,
(3.3)
где d — д и а м е т р ч а с т и ц ы (см. р и с . 3.1), не з а в и с и т от д и а м е т р а
самих частиц.
http://geoschool.web.ru
Часть I. П о д з е м н ы е воды как э л е м е н т г и д р о с ф е р ы З е м л и
52
1
Рис. 3.1. Кубическое (/)
и ромбовидное (2) рас­
положение частиц грун­
та шаровидной ф о р м ы
(по Р. де Уисту)
П о с к о л ь к у р е а л ь н ы е о б л о м о ч н ы е п о р о д ы могут с о с т о я т ь из
ч а с т и ц р е з к о р а з л и ч н о й ф о р м ы и размера, к о э ф ф и ц и е н т о б щ е й
п о р и с т о с т и таких пород и з м е н я е т с я в о б щ е м случае в ш и р о к и х
пределах д а ж е вне з а в и с и м о с т и от с т е п е н и у п л о т н е н и я о с а д к а
(см. табл. 3.2).
М а к с и м а л ь н ы е з н а ч е н и я о б щ е й пористости (50% и более) ха­
рактерны для горных пород, с л о ж е н н ы х м и н е р а л ь н ы м и ч а с т и ц а ­
ми н е п р а в и л ь н о й или " ч е ш у й ч а т о й " ф о р м ы при их о т н о с и т е л ь н о
н е п л о т н о й у п а к о в к е . М и н и м а л ь н ы е з н а ч е н и я (до 10% и менее) —
для пород, сложенных м и н е р а л ь н ы м и частицами существенно
р а з л и ч н ы х р а з м е р о в ( н е о д н о р о д н ы й по к р у п н о с т и о б л о м о ч н ы й
м а т е р и а л ) , или д л я тех с л у ч а е в , когда с в о б о д н о е п р о с т р а н с т в о
между зернами скелета частично з а п о л н е н о м и н е р а л ь н ы м вещест­
вом ( ц е м е н т о м ) (рис. 3.2).
Основными процессами, определяющими уменьшение общей
пористости о б л о м о ч н ы х пород, являются уплотнение и цементация
порового пространства.
Снижение обшей пористости обломочных пород при уплотнении определяет­
ся не только величиной уплотняющего давления и временем его воздействия.
В решающей степени интенсивность этого процесса определяется также формой
и размерами зерен, их минеральным составом и структурой порового простран­
ства породы (рис. 3.2. 3.3).
Цементация
свободного пространства между зернами м и н е ­
рального скелета ( о б р а з о в а н и е глинистого, к а р б о н а т н о г о и других
в и д о в ц е м е н т а ) во всех с л у ч а я х п р и в о д и т к о т н о с и т е л ь н о м у
у м е н ь ш е н и ю пористости о б л о м о ч н ы х п о р о д , в п р е д е л ь н о м слу­
чае д о ее п о л н о г о и с ч е з н о в е н и я (см. рис. 3.2).
http://geoschool.web.ru
53
Глава 3. В о д н о - к о л л е к т о р с к и е с в о й с т в а г о р н ы х п о р о д
Рис. 3.2. Характер и виды пористости горных пород: / — хорошо отсортированные
осадки с высокой пористостью; 2 — плохо отсортированные с малой пористостью;
3 — осадки, пористость которых уменьшена в связи с частичной цементацией
свободного пространства; 4 — высокопористые осадки, сложенные частицами че­
шуйчатой или листовидной формы; 5 — го же при уплотнении с резко уменьшен­
ной пористостью; б — слабопористые осадки с базальным типом цемента; 7— по­
роды с пустотностью, определяемой процессами выщелачивания (кавернозностью);
8 — породы с пустотностью, связанной с наличием трещиноватости (по О. Мейнцеру, 1933, с изменениями)
200
0
1000
400
2000
3000
600
кг/см
4000
5000 h, м
2
Рис. 3.3. Необратимое уменьшение коэффициента пористости осадочных пород с
[дубиной (по В.М. Добрынину, 1970): I — теоретические кривые; 2 — третичные
глинистые породы Северо-Восточного Предкавказья; 3 — песчаники; 4 — извест­
няки; 5 — мергели; Р — коэффициент необратимого уплотнения
п
http://geoschool.web.ru
54
Часть I. П о д з е м н ы е воды как э л е м е н т г и д р о с ф е р ы Земли
П р и анализе г р а ф и к а гранулометрического состава н е о д н о р о д ­
ных о б л о м о ч н ы х пород в качестве так н а з ы в а е м о г о
эффективного
диаметра зерен, о п р е д е л я ю щ е г о по существующим представлениям
величину э ф ф е к т и в н о й пористости таких пород, о б ы ч н о рассмат­
ривается д и а м е т р ч а с т и ц , с о с т а в л я ю щ и х 10% о б щ е г о веса о б р а з ­
ца. В связи с э т и м в ряде случаев даже к р у п н о о б л о м о ч н ы е п о р о ­
д ы ( г а л е ч н и к и , г р у б о з е р н и с т ы е п е с к и и др.) п р и с о д е р ж а н и и
мелких ф р а к ц и й (пылеватые и глинистые частицы) до 20—25% от
общего веса минерального скелета породы, характеризуются н и з к и ­
ми з н а ч е н и я м и к о э ф ф и ц и е н т а а к т и в н о й пористости, т и п и ч н ы м и
для т о н к о д и с п е р с н ы х пород.
В качестве сред т р е щ и н н о г о типа рассматриваются л и т и ф и ц и рованные осадочные (при отсутствии первичной седиментогенной
пористости), м е т а м о р ф и ч е с к и е и м а г м а т и ч е с к и е г о р н ы е п о р о д ы ,
с к в а ж н о с т ь (пустотность) к о т о р ы х определяется главным образом
наличием т р с щ и н о в а т о с т и .
О с н о в н ы м и генетическими типами трещиноватости, определяю­
щими трещинную скважность указанных типов горных пород,
являются: экзогенная т р е щ и н о в а т о с т ь , ф о р м и р у ю щ а я с я в верхней
части геологического разреза в результате п р о ц е с с о в в ы в е т р и в а ­
н и я и р а з у п л о т н е н и я горных пород при у м е н ь ш е н и и нагрузки от
в ы ш е л е ж а щ и х слоев ( э р о з и я ) ; тектоническая
трещиноватость, в
том ч и с л е о б щ а я ( п л а н е т а р н а я ) т е к т о н и ч е с к а я т р е щ и н о в а т о с т ь ,
трещиноватость, ф о р м и р у ю щ а я с я в зонах тектонических нарушений
( п р и р а з л о м н а я ) , а также в связи с процессами складкообразования
(складчатая или с о с к л а д ч а т а я т р е щ и н о в а т о с т ь ) ;
диагенетическая
т р е щ и н о в а т о с т ь , о б р а з у ю щ а я с я в процессе л и т и ф и к а ц и и ( ц е м е н ­
тация, уплотнение) осадочных горных пород; сингенетическая
тре­
щиноватость (отдельность), ф о р м и р у ю щ а я с я при остывании и
у м е н ь ш е н и и о б ъ е м а магматических горных пород.
К о л и ч е с т в е н н о т р е щ и н н а я с к в а ж н о с т ь горных пород характе­
ризуется теми же показателями: о б щ а я пустотность, открытая, а к ­
тивная. О д н а к о в связи с морфоструктурой пустот (значительная
л и н е й н а я п р о т я ж е н н о с т ь т р е щ и н , пересечение р а з л и ч н ы х систем
т р е щ и н и др.) для т р е щ и н н ы х сред, как п р а в и л о , не характерны
существенные различия между з н а ч е н и я м и о б щ е й и открытой
скважности.
З н а ч е н и я к о э ф ф и ц и е н т а о б щ е й пустотности т р е щ и н н ы х сред
о п р е д е л я ю т с я не с т о л ь к о н а л и ч и е м о д н о й или н е с к о л ь к и х систем
т р е щ и н , к о л и ч е с т в о м т р е щ и н на е д и н и ц у п л о щ а д и и л и о б ъ е м а
горной п о р о д ы , с к о л ь к о ш и р и н о й открытых т р е щ и н н ы х к а н а л о в
(раскрытием трещин). Ш и р и н а раскрытия трещин определяет
http://geoschool.web.ru
Глава 3. В о д н о - к о л л е к т о р с к и е с в о й с т в а г о р н ы х п о р о д
55
также с о о т н о ш е н и е между о б щ е й и а к т и в н о й с к в а ж н о с т ь ю т р е ­
щинных сред (см. табл. 3.1). В соответствии с этим при увеличении
пластовых д а в л е н и й (сжатие, з а к р ы т и е т р е щ и н ) происходит, как
правило, о п р е д е л е н н о е у м е н ь ш е н и е с к в а ж н о с т и т р е щ и н н ы х сред
и, наоборот, при у м е н ь ш е н и и давления (разуплотнение, раскрытие
т р е щ и н ) в о з м о ж н о существенное увеличение их о б щ е й и активной
с к в а ж н о с т и (пустотности).
П о м и м о у п л о т н е н и я (сжатия, с м ы к а н и я т р е щ и н ) у м е н ь ш е н и е
скважности т р е щ и н н ы х сред связано главным образом с развитием
процессов кольматации и цементации трещин.
Кавернами н а з ы в а ю т с я к р у п н ы е (диаметром более 5 мм) и з о ­
метрические пустоты, ф о р м и р у ю щ и е с я в минеральном скелете
горных пород главным образом в результате выщелачивания легко­
растворимых соединений, минеральных включений, зерен (извест­
няки, гипсы и др.). В определенной мере ф о р м и р о в а н и е отдельных
к р у п н ы х пустот т и п а каверн может б ы т ь с в я з а н о с у м е н ь ш е н и е м
о б ъ е м а м а г м а т и ч е с к и х г о р н ы х п о р о д при о с т ы в а н и и , а т а к ж е с
м е х а н и ч е с к и м р а з р у ш е н и е м с т е н о к т р е ш и н (узлы п е р е с е ч е н и я
трещин). Наличие каверн в значительной степени увеличивает
о б щ у ю ( о т к р ы т у ю , а к т и в н у ю ) с к в а ж н о с т ь горных пород, о д н а к о
о н и п р а к т и ч е с к и н и к о г д а не я в л я ю т с я е д и н с т в е н н ы м м о р ф о м е т р и ч е с к и м т и п о м пустот, в связи с чем для б о л ь ш и н с т в а к а в е р н о з ­
ных пород х а р а к т е р н ы , как п р а в и л о , с л о ж н ы е т и п ы с к в а ж н о с т и
(порово-каверновая, трешинно-каверновая).
3.2. Влажность и влагоемкость
В связи с н а л и ч и е м с в о б о д н о г о пространства, не з а п о л н е н н о г о
м и н е р а л ь н ы м в е щ е с т в о м , п р а к т и ч е с к и все горные породы харак­
теризуются о п р е д е л е н н ы м и емкостными свойствами (емкостью) и
могут содержать (вмещать) о п р е д е л е н н о е количество воды, возду­
ха, газов и других ж и д к о с т е й . П р и м е н и т е л ь н о к с о д е р ж а н и ю п о д ­
з е м н ы х вод это о б щ е е свойство горных пород называется влагоемкостью. В о т л и ч и е от этого к о л и ч е с т в о (объем или масса) воды,
н е п о с р е д с т в е н н о с о д е р ж а щ е й с я в э л е м е н т е горной п о р о д ы , о т н е ­
сенное к объему или массе этого элемента, характеризует состояние
горной породы и называется ее
влажностью .
1
Таким образом, численно влажность и влагоемкость горной
породы о п р е д е л я ю т с я из о д н о г о с о о т н о ш е н и я :
1
В этом смысле влагоемкостью как свойством могут обладать и горные по­
роды, находящиеся в абсолютно сухом состоянии (при отсутствии влажности).
http://geoschool.web.ru
Часть I. П о д з е м н ы е воды как элемент г и д р о с ф е р ы З е м л и
56
со(ИУ)
=
-^Ю0%,
V
(3.4)
o6p
7
где со — о б ъ е м н о е з н а ч е н и е влагоемкости ( И — в л а ж н о с т и ) горной
п о р о д ы , д о л и е д и н и ц ы , или % ; v — о б ъ е м в о д ы , с о д е р ж а щ е й с я
в д а н н о м э л е м е н т е г о р н о й п о р о д ы , с м , м и т.д.; v
— объем
э л е м е н т а г о р н о й п о р о д ы ( о б р а з ц а ) в а б с о л ю т н о сухом с о с т о я н и и ,
с м , м и т.д. (при о т н о ш е н и и м а с с ы воды к массе о б р а з ц а п о л у ­
чаем весовое з н а ч е н и е в л а ж н о с т и ) .
В связи с в о з м о ж н о с т ь ю н а х о ж д е н и я в пустотах м и н е р а л ь н о г о
скелета г о р н ы х п о р о д р а з л и ч н ы х в и д о в воды (см. гл. 2) и р а з л и ч ­
ной степенью в о д о н а с ы щ е н и я породы о б ы ч н о выделяются следую­
щие (характерные) значения влагоемкости и влажности горных
п о р о д (табл. 3.3).
B
3
3
o 6
3
3
Таблица 3.3
Характерные з н а ч е н и я в л а г о е м к о с т и и в л а ж н о с т и г о р н ы х пород
Влагоемкость (влажность)
Примечание
Гигроскопическая влагоемкость (гигро­
скопичность, максимальная гигроско­
пичность) а).
Максимальное количество прочносвязанной воды, образующейся в
горной породе в результате процес­
сов адсорбции молекул парообразной
воды поверхностью минеральных
частиц при относительной влажности
воздуха 90-100%
Максимальная молекулярная влагоем­
кость со
По А.Ф. Лебедеву, соответствует со­
держанию в горной породе макси­
мального количества воды, удержи­
вающейся молекулярными силами
на поверхности минеральных частиц
(устаревшее понятие)
м N|
Наименьшая влагоемкость (водоудерживаюшая способность горной породы) ы
Влажность, определяемая максималь­
ным количеством прочносвязанной,
осмотической, капиллярно-разобщен­
ной, капиллярно-подвешенной воды
Капиллярная влагоемкость со
Количество воды, соответствующее
полному заполнению всех капилляр­
ных пустот (влажность капиллярной
каймы)
Полная влагоемкость ю
Максимально возможное количество
воды (все виды воды) при полном
заполнении свободного пространства
в минеральном скелете горной по­
роды
и
к
и
Максимальная влажность W
a
Влажность горной породы, соответст­
вующая полной влагоемкости
http://geoschool.web.ru
Глава 3. В о д н о - к о л л е к т о р с к и е с в о й с т в а г о р н ы х п о р о д
57
Окончание табл. 3.3
Влагоемкость (влажность)
Естественная влажность И/
Гравитационная емкость
водоотдача \х
недостаток насыщения ц'
Примечание
Влажность горной породы в естест­
венных условиях (в зависимости от
условий залегания может соответст­
вовать любому уровню влагоемкости)
- со
ц' = (о - и/
Ц = (0
( )
н
н
П р и п о л н о м н а с ы щ е н и и горной породы водой (в случае отсут­
ствия з а щ е м л е н н о г о воздуха, газа и др.) о б ъ е м в о д ы , с о д е р ж а ­
щейся в ней, ч и с л е н н о равен объему пустот (со = И = " ) - Во всех
других случаях (другие в е л и ч и н ы влагоемкости) объем воды, с о ­
д е р ж а щ е й с я в г о р н о й п о р о д е , з а в и с и т от структуры с в о б о д н о г о
п р о с т р а н с т в а , р а з м е р а пустот, м и н е р а л ь н о г о с о с т а в а п о р о д ы и
других п а р а м е т р о в и не может б ы т ь определен исходя из в е л и ч и ­
ны ее с к в а ж н о с т и ( о б ш е й , о т к р ы т о й или а к т и в н о й ) .
/
0
0
с
Собственно гидрогеологическим параметром, характеризую­
щ и м е м к о с т н ы е с в о й с т в а г о р н ы х п о р о д по о т н о ш е н и ю к воде,
является так н а з ы в а е м а я гравитационная
емкость (влагоемкость)
горных пород, определяемая как отношение объема свободной
г р а в и т а ц и о н н о й воды, с о д е р ж а щ е й с я в образце (элементе) горной
породы при п о л н о м н а с ы щ е н и и , к объему образца. Г р а в и т а ц и о н ­
ная е м к о с т ь , о п р е д е л я е м а я при о с у ш е н и и горной п о р о д ы , н а з ы ­
вается водоотдачей и может б ы т ь рассчитана к а к разность между
полной и наименьшей влагоемкостью; при н а с ы щ е н и и горной
породы о н а называется недостатком насыщения, р а в н ы м разности
между п о л н о й в л а г о е м к о с т ь ю и е с т е с т в е н н о й в л а ж н о с т ь ю д а н н о ­
го грунта (см. табл. 3.4).
Т а к и м о б р а з о м , в е л и ч и н а водоотдачи (ц) з а в и с и т от с в о й с т в
самой горной породы (общая пустотность, размеры пустот, струк­
тура " с в о б о д н о г о " пространства, м и н е р а л ь н ы й состав и др.), о п р е ­
деляющих суммарное количество различных видов связанной
воды (со ) и о б ъ е м в о д ы п р и п о л н о м н а с ы щ е н и и (со ). В э т о м
с м ы с л е о н а может рассматриваться как о б ъ е к т и в н о е свойство (па­
раметр) д а н н о й г о р н о й п о р о д ы . В о п р е д е л е н н о й мере в е л и ч и н а
водоотдачи зависит т а к ж е от с к о р о с т и о с у ш е н и я г о р н о й п о р о д ы
(скорости с н и ж е н и я уровня п о л н о г о н а с ы щ е н и я ) , п о с к о л ь к у эта
с к о р о с т ь может о п р е д е л я т ь (при п р о ч и х р а в н ы х условиях) ф о р ­
м и р о в а н и е р а з л и ч н ы х о б ъ е м о в к а п и л л я р н о й воды ( к а п и л л я р н о п о д в е ш е н н а я вода).
н
о
http://geoschool.web.ru
58
Часть I. П о д з е м н ы е воды как э л е м е н т г и д р о с ф е р ы З е м л и
В е л и ч и н а недостатка
насыщения
(ц') з а в и с и т не т о л ь к о от
объективных свойств горной породы (ю ), но, в отличие от водоот­
д а ч и , также от условий з а л е г а н и я , о п р е д е л я ю щ и х с т е п е н ь с у щ е ­
ствующего н а с ы щ е н и я свободного пространства водой. В реальных
условиях в з а в и с и м о с т и от залегания и и з м е н е н и я естественной
в л а ж н о с т и (W)
недостаток насыщения изменяется в широких
пределах (см. табл. 3.3): 0 ^ ц' ^ со - со .
В связи с э т и м н е д о с т а т о к н а с ы щ е н и я не м о ж е т р а с с м а т р и ­
ваться как п а р а м е т р горной п о р о д ы , а является комплексной
ха­
рактеристикой
ее свойств в о п р е д е л е н н ы х условиях залегания.
0
0
г
3.3. Проницаемость
Проницаемость
как с в о й с т в о г о р н ы х п о р о д х а р а к т е р и з у е т их
с п о с о б н о с т ь пропускать через себя воду, другие ж и д к о с т и и газы
под действием с и л ы тяжести или градиента д а в л е н и я . П р и м е н и ­
тельно к д в и ж е н и ю с в о б о д н о й ( г р а в и т а ц и о н н о й ) воды (без учета
ее плотности и вязкости) это с в о й с т в о называется
водопроницае­
мостью ( ф и л ь т р а ц и о н н о й с п о с о б н о с т ь ю ) горной породы и харак­
т е р и з у е т с я т а к н а з ы в а е м ы м к о э ф ф и ц и е н т о м ф и л ь т р а ц и и (К),
и м е ю щ и м р а з м е р н о с т ь с к о р о с т и ( с м / с , м / с у т и т.д.), к о т о р ы й
является к о э ф ф и ц и е н т о м пропорциональности в законе Дарси
(см. гл. 5).
Величина к о э ф ф и ц и е н т а ф и л ь т р а ц и и зависит от свойств самой
горной породы (активная с к в а ж н о с т ь , размеры пустот, их ф о р м а
и др.) и свойств ф и л ь т р у ю щ е й с я ж и д к о с т и или газа (вязкость и
плотность).
П р о н и ц а е м о с т ь г о р н ы х п о р о д , з а в и с я щ а я т о л ь к о от с в о й с т в
породы и не з а в и с я щ а я от свойств ф и л ь т р у ю щ е й с я ж и д к о с т и или
газа (определяемая с учетом этих с в о й с т в ) , характеризуется к о э ф ­
ф и ц и е н т о м п р о н и ц а е м о с т и ( A ' J , к о т о р ы й связан с к о э ф ф и ц и е н ­
том ф и л ь т р а ц и и с л е д у ю щ и м с о о т н о ш е н и е м :
К
п
= К^
1
= К ^ = К-,
pg
g
(3.5)
где ц — д и н а м и ч е с к а я вязкость жидкости; у — вес е д и н и ц ы объема
воды; g — ускорение свободного падения; р — плотность жидкости;
v — к о э ф ф и ц и е н т к и н е м а т и ч е с к о й вязкости (Гавич, 1988).
П р и у с л о в и и , что |А] = м / с , [V1 = M / C И [g] = м / с , К и м е е т
размерность площади, м .
В практике гидрогеологических расчетов, о с о б е н н о в н е ф т я н о й
гидрогеологии, для характеристики п р о н и ц а е м о с т и горных пород
2
2
П
2
http://geoschool.web.ru
Глава 3. В о д н о - к о л л е к т о р с к и е с в о й с т в а г о р н ы х п о р о д
59
используется т а к ж е у с т а р е в ш а я е д и н и ц а , н а з ы в а е м а я д а р с и (£>).
За единицу дарси принимается п р о н и ц а е м о с т ь , при которой через
образец породы с п о п е р е ч н ы м с е ч е н и е м 1 с м и д л и н о й 1 см при
перепаде д а в л е н и я в 1 атм ( 9 , 8 1 • 1 0 Па) расход ж и д к о с т и с в я з ­
костью 1 с П ( 0 , 0 0 1 Н с / м ) составляет 1 с м / с ( 1 D = 1 0 0 0 M D —
миллидарси).
Д л я п р е с н о й воды при температуре 2 0 ° С у к а з а н н ы е е д и н и ц ы
х а р а к т е р и з у ю т с я с о о т н о ш е н и е м : 1 м / с у т = 1 , 2 D = 1,2 • 1 0 " м =
= 1,2 м к м .
П р о н и ц а е м о с т ь реальных горных пород (в зависимости от типа
породы и ее состояния) изменяется в пределах 1 0 порядков и более.
В связи со з н а ч и т е л ь н ы м и и з м е н е н и я м и п р о н и ц а е м о с т и даже для
одного типа горной породы в зависимости от ее состояния (уплот­
нение, частичная цементация порового пространства, степень трещиноватости и раскрытия т р е щ и н и др.) понятия " х о р о ш о п р о н и ­
ц а е м а я " , " п л о х о п р о н и ц а е м а я " порода и другие всегда я в л я ю т с я
относительными. Однако в целом по возможному значению п р о н и ­
цаемости о с н о в н ы е т и п ы горных пород могут б ы т ь подразделены
на с л е д у ю щ и е группы (табл. 3.4).
Д а н н ы е , п р и в е д е н н ы е в табл. 3.4, свидетельствуют о т о м , что
для различных горных пород проницаемость практически не связа­
на с к о э ф ф и ц и е н т о м общей пустотности. В р е ш а ю щ е й степени это
с в о й с т в о горных п о р о д о п р е д е л я е т с я их активной
скважностью,
которая, как б ы л о у к а з а н о в ы ш е , характеризует объем в з а и м о с в я ­
з а н н ы х пустот за вычетом части, занятой всеми видами с в я з а н ­
ной воды. В связи с этим о с н о в н ы м и с в о й с т в а м и г о р н о й п о р о д ы ,
о п р е д е л я ю щ и м и ее ф и л ь т р а ц и о н н ы е с п о с о б н о с т и , я в л я ю т с я о д ­
нородность и д и с п е р с н о с т ь (размеры частиц и зерен минерального
скелета), с которыми прямо связаны размеры пустот в минеральном
скелете (для т р е щ и н н ы х сред — раскрытие т р е щ и н ) . Для реальных
горных пород связь их пористости и п р о н и ц а е м о с т и с р а з м е р а м и
пор д о н а с т о я щ е г о в р е м е н и п р а к т и ч е с к и не изучена в с в я з и со
сложной геометрией свободного пространства (различные размеры
частиц, различная ф о р м а и др.).
2
4
2
3
1 2
2
2
Э к с п е р и м е н т а л ь н ы м и о ц е н к а м и , в ы п о л н е н н ы м и для искусст­
венных поровых сред Г.М. Б е р е з к и н о й и д р у г и м и , п о к а з а н о , что
пористость и п р о н и ц а е м о с т ь горной породы связана со с р е д н и м
радиусом пор (г ) с л е д у ю щ и м и с о о т н о ш е н и я м и :
с
(3.6)
где г — с р е д н и й радиус п о р ; п — пористость; К — п р о н и ц а е ­
мость; / — удельная поверхность м и н е р а л ь н о г о скелета п о р о д ы .
с
и
http://geoschool.web.ru
Часть I. П о д з е м н ы е воды как э л е м е н т г и д р о с ф е р ы З е м л и
60
Таблица 3.4
К л а с с и ф и к а ц и я г о р н ы х пород п о п р о н и ц а е м о с т и
Проницаемость
(Л , м/сут)
Гравитационная
емкость (водо­
отдача), ц
Очень высоко­
проницаемые
более 100
0,2-0,3
0,10-0.15
Гравийно-галечниковыс
образования, интенсивно
закарстованные породы
(известняки, гипсы)
Хорошо
(высоко)
проницаемые
10-100
0.20-0,25
0,03-0,05
Крупнозернистые и грубо­
зернистые пески, интенсив­
но трещиноватые скальные
породы (песчаники, гра­
ниты, базальты и др.)
Проницаемые
0.1-10
0,15-0,20
0,01-0,05
Разнозернистые, тонко- и
мелкозернистые глинистые
пески, слаботрещиноватые и
слабозакарстованные породы
Слабопрони­
цаемые
ю-- —0,1
1
0,01-0,05
0,01-0,03
Валунные суглинки, глины
песчанистые, аргиллиты,
слаботрещиноватые скаль­
ные породы, незакарстованные известняки
Весьма слабо­
проницаемые
КН-КН'
менее 0,01
Глины, метаморфические и
интрузивные породы при
глубинах залегания более
500-800 м
Практически
непроницаем ые
менее К)
6
менее 0,01
Плотные глины, гипс-ангид­
ритовые толщи при глубинах
залегания более 500 м, со­
ляные пласты
Группа пород
ф
Из приведенных зависимостей
горной породы, пропорциональная
Типы горных пород
очевидно, что проницаемость
г в третьей степени,
значи­
т е л ь н о р е з ч е , ч е м о б щ а я п о р и с т о с т ь г о р н ы х п о р о д (г в п е р в о й
с т е п е н и ) , возрастает с у в е л и ч е н и е м с р е д н е г о р а д и у с а пустот.
С к а л ь н ы е горные породы (главным образом м е т а м о р ф и ч е с к и е и
м а г м а т и ч е с к и е ) п р и отсутствии т р е щ и н о в а т о е ™ (отдельные б л о к и )
характеризуются весьма н и з к и м и (1—2%) з н а ч е н и я м и
скважности,
связанными с наличием отдельных изолированных пор. В связи с
этим о н и обладают определенной " и з о л и р о в а н н о й "
емкостью, но являются
ми.
практически абсолютно
(вакуольной)
непроницаемы­
Ф и л ь т р а ц и я п о д з е м н ы х вод в э т о м случае в о з м о ж н а
только
по с и с т е м а м т р е щ и н , о г р а н и ч и в а ю щ и м н е п р о н и ц а е м ы е б л о к и .
http://geoschool.web.ru
Глава 4. Ф и з и ч е с к и е с в о й с т в а и х и м и ч е с к и й с о с т а в п о д з е м н ы х вод
61
В мерзлых горных породах ( ?
< 0°С) с в о б о д н а я г р а в и т а ц и ­
о н н а я вода находится в твердом с о с т о я н и и (лед). Тем с а м ы м по
о т н о ш е н и ю к пресной гравитационной воде они являются абсолют­
но н е п р о н и ц а е м ы м и . Ч е р е з п о д о б н ы е п о р о д ы в о з м о ж н о т о л ь к о
д в и ж е н и е п о д з е м н ы х вод, з а м е р з а н и е которых (переход в твердую
фазу) осуществляется при более н и з к и х температурах ( с в я з а н н а я
вода, свободная вода с в ы с о к о й м и н е р а л и з а ц и е й ; см. гл. 12).
порог1Ы
Вопросы к главе 3
1. Скважность (пустотность)
горных пород. Общая,
открытая
и активная
скважность.
2. Основные морфометрические
типы скважности
(пористость,
трещиноватость,
кавернозность).
3. Влажность и влагоемкость
горных пород. Характерные
виды
влагоемкости.
4. Водоотдача и недостаток
насыщения.
5. Проницаемость горных пород.
6. Коэффициент фильтрации и коэффициент
проницаемости.
Глава
4
Ф И З И Ч Е С К И Е СВОЙСТВА
И Х И М И Ч Е С К И Й СОСТАВ П О Д З Е М Н Ы Х В О Д
По мнению большинства исследователей, идеально "чистой"
воды на Земле просто не существует. В п о д з е м н ы х водах, к а к и в
л ю б ы х других, всегда в тех или и н ы х количествах присутствуют
м и н е р а л ь н ы е , органические вещества, газы, ж и в о е вещество. Т в е р ­
дые, жидкие, газообразные вещества могут содержаться в подземных
водах в р а з л и ч н ы х ф о р м а х , и м е т ь р а з л и ч н ы й и з о т о п н ы й состав.
С а м а вода — это х и м и ч е с к о е с о е д и н е н и е с у д и в и т е л ь н ы м и и н е ­
о ж и д а н н ы м и свойствами, изучение которого до сих пор п р е п о д н о ­
сит исследователям с ю р п р и з ы . Т а к и м образом, подземные воды с
гидрогеохимической точки зрения представляют собой с л о ж н е й ш у ю
систему, состав, состояние и свойства которой в каждом конкрет­
ном случае определяются: 1) свойствами самой воды, 2) свойствами
с о д е р ж а щ и х с я в ней веществ и 3) у с л о в и я м и в з а и м о д е й с т в и я их
между собой и с о к р у ж а ю щ е й средой.
http://geoschool.web.ru
Часть I. П о д з е м н ы е воды как элемент г и д р о с ф е р ы З е м л и
62
4.1. Вода как химическое вещество
(строение молекулы, структура,
свойства, изотопный состав)
Вода, я в л я ю щ а я с я о с н о в о й б о л ь ш и н с т в а п р и р о д н ы х и а н т р о ­
п о г е н н ы х растворов, представляет собой у н и к а л ь н о е х и м и ч е с к о е
соединение. Большинство физических и физико-химических свойств
воды а н о м а л ь н ы , так как о н и резко отличаются от тех, которые
м о ж н о б ы л о бы теоретически о ж и д а т ь для оксида водорода или
гидрида кислорода исходя из п о л о ж е н и я этих э л е м е н т о в в п е р и о ­
д и ч е с к о й системе Менделеева.
Строение молекулы воды. Самая
распространенная на Земле моле­
кула в о д ы с р е д и м н о г о а т о м н ы х
молекул имеет н а и м е н ь ш и е р а з ­
м е р ы . Э л е м е н т а р н а я структурная
е д и н и ц а воды (гидроль)
плоская,
м е ж а т о м н ы е связи в ней образуют
р а в н о б е д р е н н ы й треугольник с ве­
л и ч и н о й угла при в е р ш и н е 104°ЗГ
(рис. 4.1). Молекула воды — д и ­
поль, п о л я р н о с т ь ее о б у с л о в л е н а
конфигурацией электронного об­
Рис. 4.1. Строение элементарной еди­ лака, состоящего из двух д л и н н ы х
ницы воды. Цифры — межъядерное и двух к о р о т к и х л е п е с т к о в . Н а и ­
расстояние, нм
большая плотность электронов,
т а к и м о б р а з о м , создается вблизи атома к и с л о р о д а , о б л а д а ю щ е г о
более высокой з л е к т р о о т р и ц а т е л ь н о с т ь ю , поэтому вблизи а т о м о в
водорода наблюдается некоторый избыток положительного заряда.
Т а к и м о б р а з о м , молекула воды имеет з н а ч и т е л ь н ы й э л е к т р и ­
ческий момент', который и обусловливает возникновение меж­
м о л е к у л я р н ы х , т а к н а з ы в а е м ы х водородных
связей. Эти связи,
я в л я ю щ и е с я следствием с т р е м л е н и я с и с т е м ы к к о м п е н с а ц и и и з ­
б ы т о ч н ы х зарядов, ф о р м и р у ю т с я между атомами водорода одной
молекулы воды и атомами кислорода других в результате их взаимо­
притяжения.
С п е ц и ф и к а в о д о р о д н ы х с в я з е й , о т р а ж е н н а я в их
н а з в а н и и , состоит в ч р е з в ы ч а й н о й "легкости захвата" м и н и а т ю р ­
нейшего атома водорода одной молекулы ( п о л я р и з о в а н н о г о п о л о 1
Электрический момент молекулы — количественная характеристика ее по­
лярности, равен произведению одного из зарядов на расстояние между центрами
положительного и отрицательного зарядов.
http://geoschool.web.ru
Глава 4. Ф и з и ч е с к и е с в о й с т в а и х и м и ч е с к и й с о с т а в п о д з е м н ы х вод
63
жительно) э л е к т р о н н о й о б о л о ч к о й более к р у п н о г о о т р и ц а т е л ь н о
п о л я р и з о в а н н о г о а т о м а к и с л о р о д а другой м о л е к у л ы воды. О ч е ­
видно, что каждая молекула с п о с о б н а образовать четыре водород­
ные связи: две между н е п о д е л е н н ы м и э л е к т р о н н ы м и п а р а м и ее
атома кислорода и атомами водорода соседних молекул и еще две —
между ее а т о м а м и водорода и а т о м а м и к и с л о р о д а двух других м о ­
лекул. Э н е р г и я в о д о р о д н о й связи д о в о л ь н о з н а ч и т е л ь н а и может
изменяться от 17 д о 33 к Д ж / м о л ь , благодаря чему о д и н о ч н ы е м о ­
лекулы в структуре воды скорее и с к л ю ч е н и е , а н о р м а — р а з н о о б ­
разные агрегаты, которые и я в л я ю т с я т и п о м о р ф н ы м и е д и н и ц а м и
структуры воды. У н и к а л ь н о й с п о с о б н о с т ь ю воды о б р а з о в ы в а т ь
в о д о р о д н ы е с в я з и и о б ъ я с н я е т с я б о л ь ш и н с т в о ее
аномальных
свойств.
Структура воды. Вода — е д и н с т в е н н о е в е щ е с т в о , к о т о р о е в
естественных п р и р о д н ы х условиях Земли с п о с о б н о существовать
во всех трех агрегатных состояниях: твердом, ж и д к о м и парообраз­
ном. Структура их различна. Лед имеет кристаллическую решетку,
в которой каждая молекула расположена в центре тетраэдра, обра­
зованного четырьмя другими молекулами и связанного с цент­
ральной водородными связями. " Р ы х л о с т ь ю " такой структуры
объясняется м е н ь ш а я (0,9168 г / с м п р и 0°С) п л о т н о с т ь льда п о
с р а в н е н и ю с ж и д к о й водой и с о о т в е т с т в е н н о увеличение объема
воды при з а м е р з а н и и п р и м е р н о на 10%. В связи с п р а к т и ч е с к и м
отсутствием н а д е ж н ы х методов и с с л е д о в а н и я ж и д к о с т е й изучение
воды с о п р я ж е н о с б о л ь ш и м и т р у д н о с т я м и , поэтому е д и н о й т о ч к и
з р е н и я о структуре жидкой воды не существует д о н а с т о я щ е г о
времени.
3
Большинство современных представлений по этому вопросу базируется па
положениях Дж. Бернала и Р. Фаулера (1934) о формировании молекулярных аг­
регатов (структурных единиц воды) по тетраэдрическому принципу, который
четко выражен в структуре льда и несколько менее — в жидкой воде. При этом
одни исследователи придерживаются гипотезы "двухструктурной" модели строе­
ния воды. т.е. наличия в массе несвязанных молекул многочисленных разнооб­
разных ассоциатов со структурой типа льда (Х.С. Френк и У.И. Вин; Д. Эйзенберг, В. Кауцман), другие — "одноструктурной" модели (О.Я. Самойлов), со­
гласно которой жидкая вода имеет однородный тетраэдрический льдоподобпый
каркас с несколько деформированными вследствие теплового движения молекул
связями. Гипотеза М. Аджено предполагает наличие в воле разнообразных коль­
цевых структур из молекул волы, причем связь между ними осуществляется через
атом водорода — "водородный мостик".
В целом сейчас уже нет с о м н е н и й , что при н а л и ч и и л ь д о п о добных к а р к а с н ы х а с с о ц и а т о в ж и д к а я вода, по сути, представляет
собой вещество переходного типа от твердого к р и с т а л л и ч е с к о г о к
жидкому. В связи с этим о ч е в и д н о , что п р и в ы ч н а я ф о р м у л а Н 0
7
http://geoschool.web.ru
64
Часть I. П о д з е м н ы е в о д ы как э л е м е н т г и д р о с ф е р ы З е м л и
не соответствует истинному характеру этого вещества, и правильнее
б ы л о бы писать ( Н 0 ) , где п, по д а н н ы м р а з л и ч н ы х исследовате­
л е й , может и з м е н я т ь с я от 2 д о 860 в з а в и с и м о с т и от температуры.
Вода отвечает о б щ е п р и н я т о й ф о р м у л е т о л ь к о при температурах,
п р е в ы ш а ю щ и х 250°С.
Свойства воды. С о с о б е н н о с т я м и структуры воды связаны прак­
тически все ее аномальные свойства, а ими в с в о ю очередь объяс­
няются такие явления, как гидратация ионов, высокая раство­
р я ю щ а я с п о с о б н о с т ь , б и о а к т и в н о с т ь о м а г н и ч е н н о й в о д ы и др.
Следствием этих о с о б е н н о с т е й , в связи с о б р а з о в а н и е м или р а з ­
р у ш е н и е м при тех или и н ы х условиях л ь д о п о д о б н ы х а с с о ц и а т о в ,
я в л я е т с я н е л и н е й н о с т ь з а в и с и м о с т е й с в о й с т в воды от тех и л и
иных физических параметров (например, минимум электропро­
водности воды при 35°С, м а к с и м у м плотности п р и 4°С).
7
п
Плотность воды, к о т о р а я , как и у других ж и д к о с т е й , у в е л и ч и ­
вается с у м е н ь ш е н и е м т е м п е р а т у р ы , достигает м а к с и м а л ь н о й ве­
л и ч и н ы не при температуре з а м е р з а н и я 0°С, а н е с к о л ь к о р а н ь ш е ,
при 4°С. И м е н н о при этой температуре из-за п о с т е п е н н о г о с н и ­
жения интенсивности теплового движения молекул
увеличение
плотности и соответствующее у м е н ь ш е н и е о б ъ е м а воды (за счет
" в с т р а и в а н и я " м о н о м е р н ы х молекул в л ь д о п о д о б н ы е к а р к а с н ы е
а с с о ц и а т ы ) уже п о л н о с т ь ю к о м п е н с и р у ю т с я уменьшением
плот­
ности за счет все более и н т е н с и в н о г о о б р а з о в а н и я из м о н о м е р о в
новых ассоциатов. Этот процесс при дальнейшем п о н и ж е н и и
температуры с т а н о в и т с я п р е о б л а д а ю щ и м и в к о н ц е к о н ц о в п р и ­
водит к о б р а з о в а н и ю при 0°С льда — к р и с т а л л и ч е с к о г о вещества
с п л о т н о с т ь ю м е н ь ш е й , чем у ж и д к о й в о д ы . Э т о а н о м а л ь н о е
с в о й с т в о воды, твердая ф а з а которой легче ж и д к о й , имеет о г р о м ­
ное з н а ч е н и е д л я ж и з н и на З е м л е . Н а п р и м е р , п р и з а м е р з а н и и
р е к и в о д о е м о в о х л а ж д а ю щ и е с я п о в е р х н о с т н ы е с л о и воды как
более т я ж е л ы е о п у с к а ю т с я , в ы т е с н я я вверх более т е п л ы е . Верти­
к а л ь н а я г р а в и т а ц и о н н а я ц и р к у л я ц и я п р е к р а щ а е т с я по д о с т и ж е ­
н и и всей массой воды температуры м а к с и м а л ь н о й плотности 4°С,
после чего с п о в е р х н о с т и п р о и с х о д и т о б р а з о в а н и е льда. " З а п е ­
ч а т ы в а я " в о д о е м , л е д т а к и м о б р а з о м п р е д о х р а н я е т все ж и в о е в
нем от губительного воздействия н и з к и х температур. В н е з а м е р ­
з а ю щ и е в о д о е м ы р а з г р у з к а п о д з е м н ы х вод п р о и с х о д и т к р у г л о ­
годично.
А н о м а л ь н ы многие теплофизические
свойства воды, п о с к о л ь к у
для разрыва в о д о р о д н ы х связей при ф а з о в ы х переходах вода—пар
и лед—вода требуется весьма значительная энергия. Вода характе­
ризуется н а и б о л ь ш и м и величинами теплот испарения и плавления
http://geoschool.web.ru
65
Глава 4. Ф и з и ч е с к и е с в о й с т в а и х и м и ч е с к и й с о с т а в п о д з е м н ы х вод
соответственно 44,04 и 6,012 к Д ж / м о л ь , а н о м а л ь н ы м и температу­
рами к и п е н и я и з а м е р з а н и я (табл. 4.1).
Таблица
4.1
Т е м п е р а т у р а к и п е н и я и з а м е р з а н и я гидридов элементов IV г р у п п ы
(Р= 101,325 кПа)
т, С
Гидрид
замерзания
кипения
н о
0
+ 100
HS
2
-82
-61
H Se
2
-64
-42
Н Те
-51
-4
2
2
Теплоемкость воды в 5—30 раз в ы ш е , чем у других ж и д к и х и
твердых веществ. Э т о с в о й с т в о обеспечивает у н и к а л ь н у ю с п о с о б ­
н о с т ь воды п о г л о щ а т ь ( и л и о т д а в а т ь ) м а к с и м а л ь н о в о з м о ж н о е
количество тепла с м и н и м а л ь н о й с к о р о с т ь ю . О д н о й из наиболее
важных а н о м а л и й воды, с которой связана ее у н и к а л ь н а я р а с т в о ­
ряющая способность, является очень высокая
диэлектрическая
проницаемость.
Эта величина, зависящая от п о л я р и з а ц и о н н ы х
свойств вещества и характеризующая отношение силы взаимо­
действия з а р я ж е н н ы х частиц в вакууме к силе в з а и м о д е й с т в и я их
в этом веществе, д л я воды при н о р м а л ь н ы х условиях составляет
80—81 (для с р а в н е н и я : н е ф т ь 2,0—2,2, б о л ь ш и н с т в о газообразных
д и э л е к т р и к о в д о 1,015, ж и д к о с т е й 10—15). И м е н н о э т о с в о й с т в о
о б ъ я с н я е т а к т и в н о е х и м и ч е с к о е взаимодействие воды с о к р у ж а ю ­
щей средой, р а с т в о р е н и е горных пород, результатом которого я в ­
ляется ш и р о к о е р а з н о о б р а з и е ее х и м и ч е с к о г о состава.
И з всех ж и д к о с т е й на Земле (за и с к л ю ч е н и е м ртути) вода о б ­
ладает м а к с и м а л ь н ы м поверхностным
натяжением,
высокой спо­
собностью к п р и л и п а н и ю (адгезией) и с м а ч и в а н и ю . Благодаря
этим с в о й с т в а м в к а п и л л я р а х вода образует вогнутый (а не в ы ­
п у к л ы й , к а к , н а п р и м е р , у ртути) м е н и с к , к р и в и з н а которого, за­
в и с я щ а я , в частности, от д и а м е т р а к а п и л л я р н ы х п о р , определяет
высоту в о з м о ж н о г о п о д н я т и я воды в нем (от 0,5—1,2 м в песках
д о 6—12 м в глинах). Ф о р м и р о в а н и е к а п и л л я р н о й к а й м ы над з е р ­
калом глубокозалегающих грунтовых вод в з а с у ш л и в ы х регионах
способствует п и т а н и ю р а с т е н и й . И м ж е в з н а ч и т е л ь н о й с т е п е н и
обусловлены п р о ц е с с ы и н т е н с и в н о й разгрузки п о д з е м н ы х вод и с ­
п а р е н и е м (см. гл. 7).
http://geoschool.web.ru
Часть I. П о д з е м н ы е воды как элемент г и д р о с ф е р ы З е м л и
66
Вязкость чистой воды при 25°С и давлении 101,325 к П а состав­
л я е т 1,002 м П а - с , при и з м е н е н и и температуры от 0 до 100°С о н а
у м е н ь ш а е т с я более чем в 6 раз. А н о м а л ь н о й является з а в и с и м о с т ь
вязкости воды от д а в л е н и я : при у в е л и ч е н и и температуры от 0 до
20—30°С в я з к о с т ь воды с п о в ы ш е н и е м д а в л е н и я у м е н ь ш а е т с я и
только потом н а ч и н а е т увеличиваться. Это свойство воды имеет
с у щ е с т в е н н о е з н а ч е н и е в ф и л ь т р а ц и о н н ы х процессах, н а п р и м е р
для ф о р м и р о в а н и я вертикальных п е р е т о к о в через с л а б о п р о н и ц а е ­
мые породы.
Изотопный состав воды. Состав изотопов кислорода и водорода
в воде может быть различным. В естественных условиях Земли м о ­
гут быть устойчивыми изотопы водорода ' Н (протий), Н или D
(дейтерий), Н или Т (тритий) и кислорода 0 , 0 , O . О б ы ч н у ю
воду образуют п р о т и й и изотоп 0 . О к о л о 0,02% в п р и р о д н ы х
водах может составлять так н а з ы в а е м а я тяжелая вода ( D 0 ) , с о ­
д е р ж а н и е к о т о р о й н е с к о л ь к о возрастает в п р о ц е с с е и с п а р е н и я .
Внутри- и м е ж м о л е к у л я р н ы е с в я з и , к о т о р ы е образует д е й т е р и й ,
прочнее водородных, поэтому D 0 к и п и т при 101,4°С, замерзает
при 3,8°С и имеет температуру м а к с и м а л ь н о й плотности +11,2°С.
Т я ж е л а я вода г у б и т е л ь н о д е й с т в у е т на ж и в о е в е щ е с т в о . К р о м е
д е й т е р и е в о й в п р и р о д н ы х водах п р и с у т с т в у е т вода с т я ж е л ы м
кислородом Н , 0 . О с т а л ь н ы е и з о т о п н ы е м о д и ф и к а ц и и ( H D 0 ,
Н 0 , H D 0 , H D O и др.) и м е ю т э к з о т и ч е с к и й характер. Т р и тиевая вода Т 0 изучена мало. В е с т е с т в е н н ы х условиях т р и т и й
может образоваться в самых верхних слоях а т м о с ф е р ы при в о з ­
действии к о с м и ч е с к о г о излучения на ядра кислорода, азота и н е ­
которых других э л е м е н т о в . О д н а к о н а ч и н а я с 1945 г. — в р е м е н и
первых и с п ы т а н и й а т о м н о г о оружия — в водах З е м л и стал о б н а ­
р у ж и в а т ь с я т р и т и й , о б р а з о в а в ш и й с я в результате э т и х в з р ы в о в .
П о с к о л ь к у п е р и о д п о л у р а с п а д а т р и т и я 12,26 года, в н е к о т о р ы х
случаях " б о м б о г е н н ы й " т р и т и й и с п о л ь з о в а л с я для о п р е д е л е н и я
возраста п о д з е м н ы х вод, и д е н т и ф и к а ц и и (с учетом п о л н о г о и с ­
ч е з н о в е н и я его в результате р а д и о а к т и в н о г о распада с глубиной)
с т е п е н и связи п р и п о в е р х н о с т н ы х и глубоких в о д о н о с н ы х г о р и ­
з о н т о в и т.д.
2
3
| 6
| 7
l s
| 6
i 6
2
I 6
2
| 8
| 7
l 7
l 6
l x
2
2
4.2. Физические свойства подземных вод
Ф и з и ч е с к и е с в о й с т в а п о д з е м н ы х вод я в л я ю т с я в а ж н е й ш и м и
п о к а з а т е л я м и качества, и их о ц е н к а необходима при л ю б ы х гид­
рогеологических исследованиях. П р и п е р с п е к т и в е х о з я й с т в е н н о питьевого и с п о л ь з о в а н и я п о д з е м н ы х вод о ц е н к а соответствия су­
щ е с т в у ю щ и м государственным стандартам является о б я з а т е л ь н о й
(см. гл. 14).
http://geoschool.web.ru
Глава 4. Ф и з и ч е с к и е с в о й с т в а и х и м и ч е с к и й с о с т а в п о д з е м н ы х вод
67
Мутность и прозрачность. М у т н о с т ь воды обусловлена н а л и ­
чием в з в е ш е н н ы х частиц в е л и ч и н о й более 100 нм (10~ м) и в ы ­
ражается их массой на е д и н и ц у объема воды ( м г / д м ) . Н а л и ч и е
взвесей я в л я е т с я к р а й н е р е д к и м д л я п о д з е м н ы х вод, п о э т о м у
о б ы ч н о для их о ц е н к и с этой т о ч к и з р е н и я пользуются п о к а з а т е ­
лем прозрачности, величина которого обратна мутности. При
ориентировочной оценке прозрачность выражается предельной
высотой столба воды (см) в градуированном ц и л и н д р е с п л о с к и м
д н о м , при которой в о з м о ж н о чтение стандартного ш р и ф т а , р а с ­
п о л о ж е н н о г о на р а с с т о я н и и 4 см от д н а ц и л и н д р а , или виден
крест с т о л щ и н о й л и н и и 1 мм. Более т о ч н о о ц е н к а прозрачности
( м г / д м ) проводится ф о т о м е т р и ч е с к и м путем с р а в н е н и я со с т а н ­
д а р т н ы м и э т а л о н н ы м и с у с п е н з и я м и каолина. Вода, используемая
для х о з я й с т в е н н о - п и т ь е в о г о в о д о с н а б ж е н и я , д о л ж н а и м е т ь п р о ­
зрачность " п о ш р и ф т у " не менее 30 см и " п о кресту" не менее
300 см, по с т а н д а р т н о й ш к а л е — не более 1,5 м г / д м . Д л я визу­
ального о п р е д е л е н и я с т е п е н и мутности или п р о з р а ч н о с т и воды
употребляют т е р м и н ы : прозрачная, слабоопалесцирующая,
опалесцирующая, слегка мутная, мутная и сильно мутная.
В области развития мерзлых пород, о с о б е н н о весной и в нача­
ле лета, в п е р и о д ы и н т е н с и в н о г о т а я н и я снега и льда характерно
п о я в л е н и е и с т о ч н и к о в " о п а л е с ц и р у ю щ и х " вод. О п а л е с ц е н ц и я
обусловлена н а л и ч и е м т о н к и х взвесей и к о л л о и д о в г и д р о к с и д о в
а л ю м и н и я и железа, к р е м н е к и с л о т ы , о р г а н и ч е с к и х веществ, т.е.
частиц размерами от 1 до 100 нм, генезис которых связан с п р о ­
цессами в ы м о р а ж и в а н и я . К о л л о и д н ы е с и с т е м ы у с т о й ч и в ы , п р о ­
з р а ч н о с т ь их н и ч т о ж н а , п о э т о м у в них о п р е д е л я ю т
мутность.
К о л л о и д н ы е частицы не отделяются о б ы ч н ы м ф и л ь т р о в а н и е м и
не оседают. В п р и р о д н ы х условиях коагуляция к о л л о и д о в может
вызываться изменением температуры, механическими воздей­
с т в и я м и . При о ч и с т к е п о д з е м н ы х вод от к о л л о и д о в п р и м е н я ю т
введение э л е к т р о л и т о в с п р о т и в о п о л о ж н ы м з а р я д о м и о н о в .
Цветность. П о д з е м н ы е воды о б ы ч н о б е с ц в е т н ы . О к р а с к у от
слабо-желтой до бурой придают воде гуминовые и ф у л ь в о к и с л о ты, а т а к ж е их р а с т в о р и м ы е с о л и , в п е р в у ю о ч е р е д ь гуматы и
фульваты о к и с н о г о железа. З е л е н о в а т у ю или к р а с н о в а т у ю о к р а с ­
ку и м е ю т воды, о б о г а щ е н н ы е с о о т в е т с т в у ю щ и м и м и к р о о р г а н и з ­
мами, например водорослями, зеленовато-голубую — закисным
железом или сероводородом. Цветность определяют ф о т о м е т р и ч е ­
ски в градусах цветности по шкале стандартных растворов (смесь
бихромата калия и сульфата кобальта), и м и т и р у ю щ и х цвет п р и ­
родной воды. Цветность, о б у с л о в л е н н а я ф у л ь в о к и с л о т а м и , может
достигать 3000° и более.
7
3
3
3
http://geoschool.web.ru
68
Часть I. П о д з е м н ы е воды к а к э л е м е н т г и д р о с ф е р ы З е м л и
Запах и вкус воды зависят от с о д е р ж а н и я в н е й газов, м и н е ­
ральных и о р г а н и ч е с к и х веществ (в т о м числе продуктов ж и з н е ­
деятельности м и к р о о р г а н и з м о в ) и могут б ы т ь к а к естественного,
так и искусственного генезиса. Определение интенсивности запаха
и вкуса проводится органолептически при температурах 20 и 60°С
и оценивается по пятибалльной системе (0 — нет, 1 — очень слабая,
2 — слабая, 3 — з а м е т н а я , 4 — отчетливая, 5 — о ч е н ь с и л ь н а я ) .
Запах определяют в соответствии с о щ у щ е н и я м и (гнилостный,
землистый, х л о р н ы й и т.д.). Д л я вкуса существуют четыре о с н о в ­
ных определения: с о л е н ы й , к и с л ы й , сладкий, горький. Все другие
виды в к у с о в ы х о щ у щ е н и й н а з ы в а ю т с я п р и в к у с а м и и у т о ч н я ю т
о с н о в н ы е п о н я т и я , н а п р и м е р м е т а л л и ч е с к и й , с о д о в ы й и д р . Вку­
с о в ы е качества в о д ы , в а ж н ы е д л я ее и с п о л ь з о в а н и я в п и т ь е в ы х
целях, о п р е д е л я ю т п р е д е л ь н о д о п у с т и м ы е к о н ц е н т р а ц и и н е к о т о ­
рых э л е м е н т о в , н о р м и р у е м ы е Г О С Т о м , н е с м о т р я на то ч т о эти
э л е м е н т ы не обладают в ы р а ж е н н ы м т о к с и ч е с к и м д е й с т в и е м . Н а ­
п р и м е р , п р и к о н ц е н т р а ц и и х л о р и д о в н а т р и я д о 500 м г / л вода
имеет с л а д к о в а т ы й п р и в к у с , п р и с о д е р ж а н и и более 500 м г / л —
с о л о н о в а т ы й . П р и к о н ц е н т р а ц и и с у л ь ф а т о в более 500 м г / л п о ­
я в л я е т с я н е п р и я т н ы й г о р ь к о в а т ы й п р и в к у с и вода п р и о б р е т а е т
слабительные свойства, п р и к о н ц е н т р а ц и и железа более 0,3 м г / л
появляется т е р п к и й или ч е р н и л ь н ы й п р и в к у с и т.д. Запах с е р о в о ­
дорода (тухлых я и ц ) улавливается н а ш и м и о р г а н а м и чувств уже
при его к о н ц е н т р а ц и и менее 1 м г / д м . Г и д р о к а р б о н а т ы к а л ь ц и я
и м а г н и я , а т а к ж е свободная углекислота п р и д а ю т воде п р и я т н ы й
с в е ж и й привкус.
Температура п о д з е м н ы х вод является о д н и м из в а ж н е й ш и х п о ­
казателей генезиса и глубины их ц и р к у л я ц и и . Д и а п а з о н и з м е н е ­
н и я и з в е с т н ы х т е м п е р а т у р п р и р о д н ы х вод н а З е м л е с о с т а в л я е т
о к о л о 400°С. От - 5 ° и н и ж е в р а й о н а х развития м н о г о л е т н е м е р з л ы х пород д о 100° и более в гейзерах в у л к а н и ч е с к и х областей и
до 350—370°С в глубинных субаквальных источниках о к е а н и ч е с к и х
впадин, в так называемых сульфидных "черных курильщиках", и
на глубинах 1500 м и более в районах с о в р е м е н н о й вулканической
деятельности. Температура ф у н т о в ы х вод в гумидной зоне о б ы ч н о
составляет 3—10°С, в аридной зоне д о 12° и более. Артезианские
воды могут достигать температуры 90—100°С и более. И з м н о ж е ­
ства к л а с с и ф и к а ц и й п о д з е м н ы х вод п о температуре (О.А. А л е к и н ,
Б.Ф. М а в р и ц к и й , Ф.А. Макаренко, А . М . О в ч и н н и к о в , Н . И . Толстихин и др.) приведем к л а с с и ф и к а ц и ю А.В. Щ е р б а к о в а (табл. 4.2).
Плотность чистой воды п р и 25°С и д а в л е н и и 101,325 к П а с о ­
ставляет 0,99797 г / с м , о н а меняется в з а в и с и м о с т и от т е м п е р а т у 3
3
http://geoschool.web.ru
Глава 4. Ф и з и ч е с к и е с в о й с т в а и х и м и ч е с к и й с о с т а в п о д з е м н ы х вод
69
Таблица 4.2
Классификация п о д з е м н ы х вод по т е м п е р а т у р е (Щербаков,
1979)
Физические и биохими­
ческие критерии темпе­
ратурных границ
Температурные
типы вод
Степень
нагретости
Шкала тем­
ператур, °С
1
Переохлаж­
денные
Исключительно
холодные
ниже 0
Переход в твердое
состояние
2
Холодные
Весьма холодные
0-4
3,98°С — температура
максимальной плот­
ности воды
3
То же
Умеренно
холодные
4-20
Единица вязкости
(сантипуаз) определена
при температуре 20°С
4
Термальные
Теплые
20-37
Температура человече­
ского тела — около 37°С
5
То же
Горячие
37-50
Оптимальная темпера­
тура для роста бактерий
6
То же
Весьма горячие
50-100
Переход в парообраз­
ное состояние
7
Перегретые
Умеренно
перегретые
100-200
Термометаморфизм
(гидролиз карбонатов
с выделением С 0 , ге­
нерация абиогенного
H S и др.)
Балл
2
2
8
То же
Весьма
перегретые
200-375
Процессы углефикации
органического вещества
и формирования угле­
водородов
ры, д а в л е н и я , к о л и ч е с т в а р а с т в о р е н н ы х , в з в е ш е н н ы х в е щ е с т в и
газов. П л о т н о с т ь р а с с о л о в в И р к у т с к о м а р т е з и а н с к о м б а с с е й н е
достигает 1,5 г / с м . О п р е д е л е н и е плотности воды всегда п р о в о д я т
при т о ч н о и з м е р е н н о й температуре ( о р и е н т и р о в о ч н о — с п о м о ­
щ ь ю ареометра, т о ч н о — весовым методом) и затем с п о м о щ ь ю
температурных к о э ф ф и ц и е н т о в для электролитов-аналогов пере­
с ч и т ы в а ю т на температуру воды в пласте.
Вязкость (внутреннее трение) имеет большое з н а ч е н и е д л я п р о ­
цесса ф и л ь т р а ц и и , о с о б е н н о в с л а б о п р о н и ц а е м ы х породах. Е д и н и ­
цей динамической вязкости в системе С И служит 1 паскаль/секунда
(1 П а - с ) — вязкость т а к о й среды, в которой п р и д а в л е н и и сдвига
1 Па разность скоростей л а м и н а р н о г о д в и ж е н и я жидкости на
р а с с т о я н и и 1 м с о с т а в л я е т 1 м • с. В г и д р о г е о л о г и ч е с к о й л и т е р а ­
туре д о п о с л е д н е г о в р е м е н и у п о т р е б л я л а с ь е д и н и ц а в я з к о с т и
3
http://geoschool.web.ru
Часть I. П о д з е м н ы е воды как э л е м е н т г и д р о с ф е р ы З е м л и
70
3
1 с а н т и п у а з (1 с П = 1 0 ~ П а - с ) , для которой э т а л о н о м я в л я л а с ь
вязкость чистой воды при 20°С. П р и 0°С чистая вода х а р а к т е р и ­
зуется в я з к о с т ь ю 1,79- 10~ П а - с , при 100° — 0,28- Ю Па • с, т.е.
в 6 раз м е н ь ш е . В я з к о с т ь пара почти в 200 раз м е н ь ш е , чем у
воды. П р и о д н о й и той же температуре рассолы характеризуются
б о л ь ш е й в я з к о с т ь ю , чем пресная вода. И с с л е д о в а н и я структуры и
свойств воды о б н а р у ж и л и н е з а к о н о м е р н о с т ь и з м е н е н и я вязкости
воды с п о в ы ш е н и е м д а в л е н и я : в и н т е р в а л е т е м п е р а т у р 0—30°С
о н а н е с к о л ь к о у м е н ь ш а е т с я , затем д л и т е л ь н о е время п р а к т и ч е с к и
не и з м е н я е т с я и н а ч и н а е т увеличиваться, как и у всех ж и д к о с т е й ,
л и ш ь по д о с т и ж е н и и д а в л е н и я п о р я д к а 10 Па (1000 атм). Вяз­
кость воды у м е н ь ш а е т с я с ростом температуры.
3
- 3
х
Существует т а к ж е п о н я т и е кинематической
вязкости ( в е л и ч и н а
динамической вязкости, отнесенная к плотности), единицей из­
м е р е н и я которой служит стоке (1 С = 1 с м / с ) .
Электропроводность.
П о д з е м н ы е воды в з а в и с и м о с т и от с о д е р ­
ж а н и я тех или и н ы х количеств э л е к т р о л и т о в обладают р а з л и ч н о й
э л е к т р о п р о в о д н о с т ь ю , к о т о р а я к о л е б л е т с я от 3- 1 0 ° д о 3- 10~
Ом • м для пресных вод и возрастает до 5 • Ю — 1 , 2 • 10° Ом • м в
рассолах. На этом свойстве воды о с н о в а н п р и н ц и п действия п р и ­
б о р о в для и з м е р е н и я степени м и н е р а л и з а ц и и воды — с о л е м е р о в .
Радиоактивность
п о д з е м н ы х вод определяется с о д е р ж а н и е м в
них р а с т в о р е н н ы х с о е д и н е н и й урана, р а д и я , а т а к ж е и н е р т н ы х
газов: н е р а д и о а к т и в н о г о гелия и радона, я в л я ю щ е г о с я э м а н а ц и е й
радия. Е д и н и ц е й р а д и о а к т и в н о с т и в системе С И является б е к к е рель (Бк) — а к т и в н о с т ь нуклида 1 распад в 1 с. Р а д и о а к т и в н ы е
свойства п о д з е м н ы х вод по о т н о ш е н и ю к объему п р и н я т о выра­
жать в удельных единицах. В гидрогеологической литературе м о ж ­
но встретить р а з л и ч н ы е , в том ч и с л е у с т а р е в ш и е , е д и н и ц ы р а ­
д и о а к т и в н о с т и : I э м а н / л = 0,28 ед. Махе = 1 • Ю~ К и / л ( к ю р и на
л и т р ) или 10 н К и / л ( н а н о к ю р и на литр) = 3,7 Б к / д м . П о д з е м н ы е
воды могут содержать значительные количества радона — от 1—30
в к и с л ы х магматических породах и иногда о с а д о ч н ы х породах д о
150 тыс. Б к / д м в зоне о к и с л е н и я урановых месторождений. Воды
с с о д е р ж а н и е м радона 1—70 Б к / д м используются в б а л ь н е о л о г и ­
ческих целях.
2
3
-3
|()
3
3
3
С о д е р ж а н и е гелия в п о д з е м н ы х водах в п о с л е д н и е годы стало
объектом п р и с т а л ь н о г о изучения. Гелий, п р е д с т а в л я ю щ и й собой
продукт распада радиоактивных элементов, н е п р е р ы в н о образуется
в з е м н о й коре и мигрирует к поверхности по о т н о с и т е л ь н о п р о ­
н и ц а е м ы м з о н а м . В процессе гелиевой с ъ е м к и п р е к р а с н о м а р к и ­
руются р а з л о м ы з е м н о й коры и узлы их п е р е с е ч е н и й , в ы я в л я ю т с я
http://geoschool.web.ru
Глава 4. Ф и з и ч е с к и е с в о й с т в а и х и м и ч е с к и й с о с т а в п о д з е м н ы х вод
71
особенности строения фундамента и перекрывающих отложений.
Гелий и с п о л ь з у е т с я так ж е , как и н д и к а т о р при п о и с к а х м е с т о ­
рождений радиоактивных минералов.
Р а д и о а к т и в н о с т ь п о д з е м н ы х вод, с о д е р ж а щ и х уран и р а д и й ,
всегда связана с с о д е р ж а н и е м их в в о д о в м е щ а ю щ и х породах, п о ­
этому максимальной радиоактивностью характеризуются воды
кислых магматических пород, а н а и м е н ь ш е й — о с а д о ч н ы х пород,
если п о с л е д н и е не содержат вторичных или п е р е о т л о ж е н н ы х ра­
д и о а к т и в н ы х м и н е р а л о в . У п о т р е б л е н и е воды, с о д е р ж а щ е й р а д и й ,
н е д о п у с т и м о , п о с к о л ь к у он н а к а п л и в а е т с я в ч е л о в е ч е с к о м о р г а ­
низме.
4.3. Состав подземных вод
В п о д з е м н ы х водах содержится м н о ж е с т в о веществ, р а з л и ч н ы х
по своей п р и р о д е , с о с т о я н и ю ( ф а з о в о м у , а г р е г а т н о м у ) , х и м и ч е ­
с к о м у составу, ф и з и ч е с к и м , ф и з и к о - х и м и ч е с к и м и х и м и ч е с к и м
свойствам и др.
М о ж н о выделить две основные группы ингредиентов веществен­
ного состава подземных вод: неживое, или " к о с н о е " , по В.И. Вер­
надскому, и живое вещество.
Н е ж и в о е вещество включает м и н е р а л ь н ы е , в том числе р а д и о ­
а к т и в н ы е , и о р г а н и ч е с к и е в е щ е с т в а . Те и д р у г и е могут б ы т ь в
р а з л и ч н ы х агрегатных и ф а з о в ы х с о с т о я н и я х , в частности в виде
растворенного или свободного газа, и иметь р а з л и ч н ы й и з о т о п н ы й
состав. Ж и в о е вещество в п о д з е м н ы х водах представлено р а з н о ­
о б р а з н ы м и м и к р о о р г а н и з м а м и с п р и с у щ и м и им т и п а м и м е т а б о ­
л и з м а ( о б м е н а веществ), в состав которых входят с п е ц и ф и ч е с к и е
ф о р м ы " ж и в о й м а т е р и и " : б е л к и , л и п и д ы , а м и н о к и с л о т ы и др.
Как ж и в о е , так и н е ж и в о е вещество состоит из одних и тех же
х и м и ч е с к и х э л е м е н т о в , к о л и ч е с т в о к о т о р ы х в п о д з е м н ы х водах
ч р е з в ы ч а й н о велико. Т е о р е т и ч е с к и о н о соответствует числу э л е ­
ментов т а б л и ц ы М е н д е л е е в а , о б н а р у ж е н н ы х в п р и р о д е , и л и ш ь
н е с о в е р ш е н с т в о а н а л и т и ч е с к и х методов не п о з в о л я е т о б н а р у ж и т ь
те из них, которые содержатся в п о д з е м н ы х водах в н и ч т о ж н ы х
количествах. П р а к т и ч е с к и же в п о д з е м н ы х водах о п р е д е л я ю т д о
70 э л е м е н т о в , из которых л и ш ь н е б о л ь ш а я часть присутствует в
значительных количествах.
Кроме водорода и кислорода (как образующих воду, так и вхо­
д я щ и х в состав других с о е д и н е н и й ) о с н о в н ы м и э л е м е н т а м и соста­
ва п о д з е м н о й г и д р о с ф е р ы я в л я ю т с я : I) углерод, хлор, сера, азот,
к р е м н и й , о б р а з у ю щ и е главным образом а н и о н ы , а т а к ж е газы и
http://geoschool.web.ru
72
Часть I. П о д з е м н ы е воды как э л е м е н т г и д р о с ф е р ы З е м л и
о р г а н и ч е с к и е вещества; 2 ) н а т р и й , к а л ь ц и й , м а г н и й , к а л и й , реже
ж е л е з о , п р е д с т а в л я ю щ и е собой основу к а т и о н н о г о состава п о д ­
з е м н ы х вод. К р о м е них в подземных водах часто встречаются Р, F,
Вг, В, I, Sr, С и , As, Pb, Z n , A g , Hg, Sb, N i , C o , Rb, Cs, Se, C r , U ,
Ra, L i и др.
ОСНОВОЙ э л е м е н т н о г о состава ж и в о г о вещества я в л я ю т с я те же
С, О , Н, N , S, Р, в м е н ь ш е й с т е п е н и К, Са, N a , M g , Fe, Si. Н е к о ­
т о р ы е м и к р о о р г а н и з м ы п о д з е м н ы х вод могут а к к у м у л и р о в а т ь в
клетках, их о б о л о ч к а х и капсулах о г р о м н ы е количества Fe, S, Si,
Са, Р.
М и н е р а л ь н ы е и о р г а н и ч е с к и е вещества, п о с т у п а ю щ и е в воду
из горных пород, в процессе фильтрации многократно видоизменя­
ются, вступают в х и м и ч е с к и е р е а к ц и и между собой и с вещества­
ми с р е д ы , в ы п а д а ю т в осадок, о б о г а щ а ю т с я газами или т е р я ю т их
и т.д. Ж и в о е вещество потребляет из воды м и н е р а л ь н ы е х и м и ч е ­
с к и е с о е д и н е н и я (сульфаты, о к с и д углерода, калий, натрий и др.),
а т а к ж е о р г а н и ч е с к и е в е щ е с т в а , и с п о л ь з у я их к а к д л я с и н т е з а
б и о м а с с ы , так и для о б е с п е ч е н и я ее ж и з н е д е я т е л ь н о с т и . В то же
время ж и в о е вещество продуцирует и выделяет в воду б и о г е н н ы е
м и н е р а л ь н ы е вещества и газы: азот, а м м о н и й , н и т р а т ы , н и т р и т ы ,
о к с и д углерода, с е р о в о д о р о д , метан и другие, а т а к ж е р а з н о о б р а з ­
н ы е о р г а н и ч е с к и е с о е д и н е н и я . М н о г и е из п е р е ч и с л е н н ы х п р о ­
цессов сопровождаются минерало- и породообразованием.
Таким образом, в этом постоянном круговороте подземные
воды я в л я ю т с я с и с т е м о й , в к о т о р о й ж и в о е и н е ж и в о е вещества
находятся в п о с т о я н н о м в з а и м о д е й с т в и и между собой и с о к р у ­
ж а ю щ е й средой.
Химический состав подземных вод
Химический состав подземных вод — это с о в о к у п н о с т ь с о д е р ж а ­
щ и х с я р а с т в о р е н н ы х м и н е р а л ь н ы х и о р г а н и ч е с к и х с о е д и н е н и й за
и с к л ю ч е н и е м тех, из которых состоит ж и в о е вещество.
П о р а з и т е л ь н о , что о с н о в о й химического состава всего м н о г о о б ­
разия п р и р о д н ы х вод Земли (дождевых, речных, морских, о к е а н и ­
ческих, п о д з е м н ы х ) является весьма о г р а н и ч е н н ы й н а б о р и о н о в .
Различия же, с в о й с т в е н н ы е х и м и ч е с к о м у составу вод Земли, о п р е ­
д е л я ю т с я м н о ж е с т в о м с о ч е т а н и й этих и о н о в и их а б с о л ю т н ы м
(масса) и о т н о с и т е л ь н ы м (%) с о д е р ж а н и е м .
О д н о - и м н о г о а т о м н ы е и о н ы , входящие в этот набор, образова­
ны преимущественно высококларковыми элементами, природные
соединения которых в литосфере обладают наибольшей раство-
http://geoschool.web.ru
Глава 4. Ф и з и ч е с к и е с в о й с т в а и х и м и ч е с к и й с о с т а в п о д з е м н ы х вод
2
73
+
римостью. Это анионы: СГ, S0 ~, Н С О ^ , С 0 ~ , катионы: N a ,
M g , С а , К , а т а к ж е к р е м н е к и с л о т а H S i 0 , которая присутст­
вует в п о д з е м н ы х водах п р е и м у щ е с т в е н н о в м о л е к у л я р н о й ф о р м е .
П е р е ч и с л е н н ы е и о н ы , я в л я ю щ и е с я т и п и ч н ы м и для б о л ь ш и н ­
ства природных, в том числе подземных, вод и, как правило, п р е ­
о б л а д а ю щ и е в их составе, называют макрокомпонентами.
Эти и о н ы
составляют основу унифицированного стандартного комплекса
а н а л и з о в п о д з е м н ы х вод (см. н и ж е ) . Их о п р е д е л е н и е наряду с н е ­
к о т о р ы м и п о к а з а т е л я м и качества и ф и з и к о - х и м и ч е с к о г о с о с т о я ­
н и я воды является о б я з а т е л ь н ы м при л ю б ы х гидрогеологических
исследованиях.
В м е н ь ш и х количествах ( о б ы ч н о первые м г / д м ) присутствуют
в химическом составе воды, и редко преобладают такие и о н ы ,
как N H , F e , F e , N O ' , N O 3 , H P O ~ (иногда Br, I, F , Sr, A l ) , их н а з ы в а ю т мезокомпонентами.
К микрокомпонентам
относят
и о н ы , п р и с у т с т в у ю щ и е в водах в м и к р о к о л и ч е с т в а х — о б ы ч н о д о
сотен м к г / д м : Pb, Z n , С и , As, Sb, Sn, A g , M o , C o , Ba, р а д и о а к т и в ­
ных (Ra, U , Rn, Th), а т а к ж е Be, Se, Rb, N i , Cs, L i , M n , V и д р .
Относительная условность приведенных п о н я т и й м а к р о - , м е з о и м и к р о к о м п о н е н т ы очевидна.
И н т е г р а л ь н ы м и характеристиками общего количества вещества
в п о д з е м н ы х водах я в л я ю т с я р а с ч е т н ы е в е л и ч и н ы :
минерализация
( с и н о н и м ы : о б щ а я или суммарная м и н е р а л и з а ц и я , степень м и н е ­
рализации) и сумма ионов, а также о п р е д е л я е м ы й э к с п е р и м е н т а л ь ­
но сухой
остаток.
Минерализация ( г / д м , м г / д м , г/кг, м г / к г ) — с у м м а р н а я масса
растворенных твердых минеральных веществ в единице объема
или массы воды — вычисляется с у м м и р о в а н и е м весовых количеств
всех веществ, определенных при химическом анализе. Непосредст­
венно ориентировочную величину минерализации можно опреде­
лить по степени э л е к т р о п р о в о д н о с т и раствора с п о м о щ ь ю с п е ц и ­
альных приборов (солемеров). Термин " м и н е р а л и з а ц и я " может
употребляться и в более о б щ е м с м ы с л е с к о л и ч е с т в е н н ы м в ы р а ­
ж е н и е м через одну из у к а з а н н ы х н и ж е в е л и ч и н .
Сумма ионов — в тех же величинах, но ч а щ е в м о л ь н о м ( э к в и ­
валентном) в ы р а ж е н и и — вычисляется с у м м и р о в а н и е м м м о л ь / д м
( м г - э к в / л ) веществ, о п р е д е л е н н ы х при х и м и ч е с к о м а н а л и з е .
Сухой остаток — масса нелетучих (при 110 и л и 180°С) м и н е ­
ральных и органических соединений, отнесенная к единице объема
или (для р а с с о л о в ) м а с с ы воды — о п р е д е л я е т с я в з в е ш и в а н и е м
осадка, полученного при в ы п а р и в а н и и определенного объема воды
4
2 +
2 +
+
4
4
3
+
2+
3+
4
3
3
3
3
3
http://geoschool.web.ru
Часть I. П о д з е м н ы е воды как элемент г и д р о с ф е р ы З е м л и
74
и п о с л е д у ю щ е м в ы с у ш и в а н и и . Величина сухого остатка и с п о л ь ­
зуется д л я к о н т р о л я х и м и ч е с к и х а н а л и з о в . О н а может б ы т ь не
р а в н а в е л и ч и н е м и н е р а л и з а ц и и за счет потерь при п р о к а л и в а н и и
летучих к о м п о н е н т о в , о б р а з у ю щ и х с я при р а з л о ж е н и и Н С О " , а
т а к ж е о р г а н и ч е с к и х с о е д и н е н и й . Все н о р м а т и в ы Г О С Т а на общее
содержание растворенных в воде веществ о р и е н т и р о в а н ы на вели­
чину сухого остатка. Поэтому при отсутствии э к с п е р и м е н т а л ь н ы х
д а н н ы х о п р е д е л я ю т т а к н а з ы в а е м ы й вычисленный сухой о с т а т о к ,
вычитая из величины м и н е р а л и з а ц и и половину содержания Н С О " ,
п о с к о л ь к у в соответствии со стехиометрией р е а к ц и и р а з л о ж е н и я
Н С О ^ п р и п р о к а л и в а н и и ( 2 Н С О ~ —» С О ^ + С 0 Т + Н О Т ) о т н о ­
ш е н и е СО] : 2 Н С О - = 60 : 122 = 0,49.
2
2
М и н е р а л и з а ц и я п о д з е м н ы х вод и з м е н я е т с я в ш и р о к и х преде­
лах — от первых е д и н и ц и десятков м г / д м в ф у н т о в ы х водах крис­
т а л л и ч е с к и х п о р о д в г у м и д н о й зоне д о сотен г / д м в рассолах.
Как правило, н а и м е н ь ш у ю минерализацию имеют воды, содер­
жащие самые слаборастворимые соединения — силикаты, карбо­
наты. П р и р а щ е н и е м и н е р а л и з а ц и и п о д з е м н ы х вод п р о и с х о д и т за
счет п о я в л е н и я в их составе все более и более растворимых соеди­
нений (сульфатов, хлоридов), поэтому в определенных интервалах
м и н е р а л и з а ц и и преобладают р а з л и ч н ы е и о н ы (рис. 4.2): H S i 0 и
N a от 0,01 д о 0,05 г / д м , Н С О ~ ( С 0 ~ ) и С а от 0,05 д о 0,6, S O "
и Na+ ( С а ) от 0,6 д о 3,3, С1~ и N a (Са +) в ы ш е 3,3.
3
3
4
+
3
2+
2
2 +
+
4
2
2
С у щ е с т в у е т р я д к л а с с и ф и к а ц и й п о д з е м н ы х вод п о в е л и ч и н е
м и н е р а л и з а ц и и (О.А. А л е к и н , В . И . В е р н а д с к и й , М . С . Гуревич,
И.К. Зайцев, Е.В. П и н н е к е р , Н . И . Толстихин, А.В. Щ е р б а к о в и др.).
В с о о т в е т с т в и и с Г О С Т о м п р и р о д н ы е воды п о м и н е р а л и з а ц и и
делятся на с л е д у ю щ и е группы (г/кг): п р е с н ы е д о 1, с о л о н о в а т ы е
1—25, с о л е н ы е 25—50, рассолы более 50.
В свою очередь в категории пресных могут быть выделены (г/кг),
н а п р и м е р , п о А . В . Щ е р б а к о в у , у л ь т р а п р е с н ы е ( м е н е е 0,1), у м е ­
р е н н о п р е с н ы е (0,1—0,5) и н о р м а л ь н о п р е с н ы е (0,5—1), а в кате­
г о р и и р а с с о л о в , п о Е.В. П и н н е к е р у , с л а б ы е (35—150), к р е п к и е
(150—320), весьма к р е п к и е (320—500) и п р е д е л ь н о н а с ы щ е н н ы е
(более 500). С у щ е с т в у ю т и другие градации. М а к с и м а л ь н о й м и н е ­
р а л и з а ц и е й , и з в е с т н о й для п о д з е м н ы х вод (до 640 г / д м ) , облада­
ют р а с с о л ы А н г а р о - Л е н с к о г о а р т е з и а н с к о г о бассейна.
Д л я питьевых целей в соответствии с Г О С Т о м 2874-82 и с п о л ь ­
зуются воды с сухим остатком д о 1 г / д м , о д н а к о в р а й о н а х с н е ­
д о с т а т к о м п р е с н о й воды приходится и с п о л ь з о в а т ь и м и н е р а л и з о ­
в а н н ы е воды. С к о т м о ж е т пить воду с сухим остатком д о 5 г / д м
( л о ш а д и ) , 8 г / д м ( в е р б л ю д ы ) , 12 г / д м ( о в ц ы ) .
3
3
3
3
3
http://geoschool.web.ru
Глава 4. Ф и з и ч е с к и е с в о й с т в а и х и м и ч е с к и й с о с т а в п о д з е м н ы х вод
1
2
3
4
5
0,01
0,1
1,0
10,0
100 0
Солоноватые
Пресные
75
1дШ
Минерали­
зация, г/кг
Рассолы
Рис. 4.2. Относительное содержание анионов (а) и катионов (б) в подземных
водах различной минерализации (по М.Г. Валяшко, /962). Пунктир — раствори­
мость солей в дистиллированной воде
Водородный показатель (рН) дает представление об о б щ е м щ е л о ч н о - к и с л о т н о м с о с т о я н и и воды и, как и м и н е р а л и з а ц и я , являет­
ся одной из ее в а ж н е й ш и х интегральных характеристик. Н е с м о т р я
на то что вода д и с с о ц и и р у е т ч р е з в ы ч а й н о слабо (из 55,56 моль,
с о д е р ж а щ и х с я в 1 д м , д и с с о ц и и р у е т всего л и ш ь \0 ),
значение
этого я в л е н и я для х и м и и п р и р о д н ы х вод трудно п е р е о ц е н и т ь . О т
щ е л о ч н о - к и с л о т н о г о с о с т о я н и я воды зависят м н о г и е г и д р о х и м и ­
ческие процессы: осаждение и растворение, м и г р а ц и о н н а я с п о с о б ­
ность, характер м и к р о ф л о р ы и др. В о д о р о д н ы й п о к а з а т е л ь ( р Н )
3
http://geoschool.web.ru
7
Часть I. П о д з е м н ы е воды как э л е м е н т г и д р о с ф е р ы З е м л и
76
представляет с о б о й д е с я т и ч н ы й л о г а р и ф м к о н ц е н т р а ц и и ( и л и а к ­
т и в н о с т и ) водородных и о н о в , взятых с о б р а т н ы м з н а к о м :
+
pH=-lg[H l.
П о с к о л ь к у к о н с т а н т а д и с с о ц и а ц и и воды при температуре 22°С
составляет:
L
n
=
V
V
2
а
1 6
=1,8-Ю- ,
(4.1)
н о
2
то произведение активностей продуктов диссоциации, так называе­
мое и о н н о е п р о и з в е д е н и е воды Kw= 1,8 • Ю - 55,56= 1,008- 10~ .
П р и равенстве к о ц е н т р а ц и й и о н о в водорода и г и д р о к с и д - и о н о в
р е а к ц и я среды д о л ж н а быть нейтральной. Д л я / = 2 5 ° С это в о з м о ж ­
н о п р и к о н ц е н т р а ц и и [ Н ] = [ О Н ] = 1,008 • 10~ • \0
моль/дм ,
для нейтральной среды р Н = 7,0. При большей концентрации ионов
водорода, т.е. при р Н <7 ( н а п р и м е р , 10" , р Н 5), вода будет иметь
к и с л у ю р е а к ц и ю и соответственно п р и м е н ь ш е й — щ е л о ч н у ю .
- 1 6
14
+
14
7
3
5
Для более низких температур рН нейтральной среды "чистой" воды выше в
соответствии с меньшей интенсивностью диссоциации, для более высоких —
ниже (табл. 4.3). Возможность такого "температурного сдвига" рН нейтральной
среды нужно учитывать для высоко- или наоборот низкотемпературных слабоми­
нерализованных вод. Например, надмерзлотные воды с рН около 8,0 фактически
являются нейтральными, а не слабощелочными.
Величины рН вместе с концентрацией определяют миграционные свойства
многих металлов. Некоторые элементы образуют в воде несколько соединений,
каждое из которых может существовать только в определенном диапазоне рН,
для некоторых характерна и обратная связь, т.е. данное соединение само является
рН-задающим. Таковы, например, системы серы (H S, HS~, S ~), кремнекислоты,
угольной кислоты ( H C O j , С 0 ~ , С 0 ) .
2
2
2
2 с в
Таблица 4.3
З а в и с и м о с т ь в е л и ч и н ы рН нейтральной среды о т т е м п е р а т у р ы
t, с
Ионное произведение
[Н ] = [ОН]моль/дм
0
1,139- 10
3,38- Ю-
25
1,008- К)-
50
5,474- Ю-
15
+
14
РН
7,472
8
14
3
1,0- ю-
7,000
7
2,339- Ю-
7
6,631
В е л и ч и н ы р Н п о д з е м н ы х вод и з м е н я ю т с я в ш и р о к о м д и а п а з о ­
не — от менее 0 д о 2—3,5 в ультракислых водах областей с о в р е ­
м е н н о г о в у л к а н и з м а , д о 9—12,5 в н е к о т о р ы х водах, с в я з а н н ы х с
ультраосновными породами, в содовых и сероводородсодержащих
рассолах.
http://geoschool.web.ru
Глава 4. Ф и з и ч е с к и е с в о й с т в а и х и м и ч е с к и й с о с т а в п о д з е м н ы х вод
77
Например, вода источника Белый Ключ на склоне вулкана Эбеко (Курильские
острова) имеет рН < 0. Относительная масса иона водорода по отношению к сумме
катионов в этой воде составляет 45% (см. гл. 15). Вода, вскрытая скважиной в
амфиболитах и перидотитах в Боснии, характеризуется величиной рН 11,75.
О б ы ч н ы е величины р Н составляют: для ф у н т о в ы х вод 6,4—7,5,
для а р т е з и а н с к и х 7,3—8,5. Д л я вод з о н ы гипергенеза Л . С . Ш в а р ­
цев выделяет четыре градации п о щ е л о ч н о - к и с л о т н ы м свойствам:
с и л ь н о к и с л ы е р Н < 3,0, к и с л ы е и с л а б о к и с л ы е р Н 3,0—6,5, н е й т ­
ральные и с л а б о щ е л о ч н ы е р Н 6,5—8,5, с и л ь н о щ е л о ч н ы е р Н > 8,5.
В з а в и с и м о с т и от температуры и степени м и н е р а л и з а ц и и г р а н и ­
цы градаций могут сдвигаться.
У п и т ь е в о й воды р Н д о л ж н о н а х о д и т ь с я в пределах 6,0—9,0
( Г О С Т 2874-82).
В полевых условиях в е л и ч и н ы р Н определяются р Н - и к о л о р и ­
метрическими методами, в стационарных — с п о м о щ ь ю потенцио­
метров.
Окислительно-восстановительный
потенциал ( О В П ) — E h воды
характеризует с о о т н о ш е н и е о к и с л е н н ы х и в о с с т а н о в л е н н ы х ф о р м
всех с о д е р ж а щ и х с я в н е й э л е м е н т о в п е р е м е н н о й в а л е н т н о с т и и
так ж е , к а к и д в е п р е д ы д у щ и е , является в а ж н е й ш е й и н т е г р а л ь н о й
х а р а к т е р и с т и к о й состава воды. И з т а к и х э л е м е н т о в д л я х и м и ч е ­
ского состава п о д з е м н ы х вод н а и б о л ь ш е е з н а ч е н и е имеют: сера
(-2, +2, +4, +6), ж е л е з о (+2, +3), азот (-3, +3, +5), м а р г а н е ц (+2,
+3, +4), ф о с ф о р (+3, +5) и д р .
Поскольку экспериментальное определение абсолютных вели­
чин п о т е н ц и а л о в систем к о н к р е т н ы х э л е м е н т о в с в я з а н о с о п р е д е ­
ленными сложностями, количественная оценка О В П в каждом
к о н к р е т н о м случае проводится о т н о с и т е л ь н о н о р м а л ь н о г о (стан­
дартного) потенциала. Последний представляет собой разность
между п о т е н ц и а л а м и д а н н о й и с т а н д а р т н о й ( в о д о р о д н о й с и с т е ­
мы) р е а к ц и й . В е л и ч и н ы его п р и в о д я т с я в с п р а в о ч н и к а х . Т а к и м
образом, О В П всегда в е л и ч и н а о т н о с и т е л ь н а я .
В е л и ч и н ы О В П систем э л е м е н т о в , з а м е р е н н ы е в с т а н д а р т н ы х
условиях и п р е в ы ш а ю щ и е значение нормального потенциала,
считаются положительными, меньшие — отрицательными. Это
не означает, что в системах с п о л о ж и т е л ь н ы м и з н а ч е н и я м и О В П
происходит т о л ь к о о к и с л е н и е , а с о т р и ц а т е л ь н ы м и — т о л ь к о в о с ­
становление. Каждая из них может оказаться к а к о к и с л и т е л ь н о й ,
так и в о с с т а н о в и т е л ь н о й в з а в и с и м о с т и от того, п о о т н о ш е н и ю к
какой системе ее рассматривать.
О с н о в н ы м и п о т е н ц и а л з а д а ю щ и м и с и с т е м а м и п о д з е м н ы х вод
я в л я ю т с я с и с т е м ы к и с л о р о д а , серы и в м е н ь ш е й степени железа,
азота, о р г а н и ч е с к и х веществ.
http://geoschool.web.ru
78
Часть I. П о д з е м н ы е воды как элемент г и д р о с ф е р ы З е м л и
С и с т е м а к и с л о р о д а задает п о л о ж и т е л ь н ы е з н а ч е н и я Eh от 0 до
0,45—0,7 В при содержании кислорода п • 10~ м о л ь / д м . Системой
серы, участвующей в а н а э р о б н ы х б и о х и м и ч е с к и х процессах, чаще
задаются о т р и ц а т е л ь н ы е (до -0,4 В) з н а ч е н и я О В П . Н а л и ч и е с е ­
роводорода является признаком восстановительной обстановки.
Система железа выдвигается на первый план при отсутствии пер­
вых двух, о б ы ч н о в богатых о р г а н и к о й гумусового типа грунтовых
водах, п и т а ю щ и х с я б о л о т н ы м и . К р и т е р и я м и б е с с с р о в о д о р о д н о й
в о с с т а н о в и т е л ь н о й о б с т а н о в к и я в л я ю т с я отсутствие к и с л о р о д а и
н а л и ч и е двухвалентного железа (сизо-зеленая о к р а с к а породы на
участке выхода и с т о ч н и к а ) , о к и с л и т е л ь н о й — с в о б о д н ы й к и с л о ­
род (бурая о к р а с к а , о б у с л о в л е н н а я г и д р о к с и д а м и железа).
З н а ч е н и я О В П п о д з е м н ы х вод и з м е н я ю т с я в ш и р о к о м д и а п а ­
зоне (от -0,5 д о +0,7 В). П о в е р х н о с т н ы е и грунтовые воды харак­
теризуются в е л и ч и н а м и Eh от +0,15 до +0,7 В, п о д з е м н ы е воды
глубоких частей а р т е з и а н с к и х б а с с е й н о в — от 0 д о -0,5 В. Н и з к и е
в е л и ч и н ы наблюдаются в водах н е ф т я н ы х м е с т о р о ж д е н и й , м и н и ­
м а л ь н ы е (от -0,6 до -0,7 В) — в с и л ь н о щ е л о ч н ы х рассолах в г и п ­
сах, м а к с и м а л ь н ы е (до +0,86 В при р Н < 2) о б н а р у ж е н ы в р у д н и ч ­
н ы х водах при а к т и в н о й д е я т е л ь н о с т и ж е л е з о б а к т е р и й ( д а н н ы е
Л.Г. Б а а с - Б е к и н г а и др.).
Величины О В П о б ы ч н о уменьшаются с глубиной, но в некото­
рых условиях (участки разгрузки п о д з е м н ы х вод, болота) о т р и ц а ­
т е л ь н ы е в е л и ч и н ы О В П наблюдаются и на д н е в н о й поверхности.
В а ж н е й ш е е з н а ч е н и е и н а и б о л ь ш у ю и н ф о р м а т и в н о с т ь в гид­
р о г е о х и м и и имеет с о в м е с т н а я и н т е р п р е т а ц и я д а н н ы х по щ е л о ч но-кислотным и окислительно-восстановительным свойствам
п о д з е м н ы х вод. Б о л ь ш о е р а с п р о с т р а н е н и е получили так н а з ы в а е ­
м ы е Eh—рН д и а г р а м м ы , п о з в о л я ю щ и е получить н а г л я д н у ю к а р ­
т и н у в о з м о ж н ы х р а в н о в е с и й и м и г р а ц и о н н ы х ф о р м в системах
э л е м е н т о в п е р е м е н н о й валентности.
На рис. 4.3 п о к а з а н о п о л о ж е н и е р а з л и ч н ы х т и п о в п р и р о д н ы х
вод в координатах р Н — E h .
С п е ц и ф и ч е с к и м и п о к а з а т е л я м и качества воды я в л я ю т с я жест­
кость и агрессивность.
Жесткость воды обусловлена наличием в ней с о е д и н е н и й каль­
ция и магния. Жесткая вода плохо мылится, образует накипь, не­
пригодна для многих производств (сахарного, кожевенного). Разли­
чают пять видов жесткости: общую, карбонатную, некарбонатную,
устранимую (временную), неустранимую (постоянную). Количест­
в е н н о й мерой о б щ е й жесткости является сумма м и л л и г р а м м - э к ­
вивалентов (в м е ж д у н а р о д н ы х е д и н и ц а х — м и л л и м о л е й ) к а л ь ц и я
и магния в е д и н и ц е объема ( м г - э к в / л или м м о л ь / д м ) .
3
3
3
http://geoschool.web.ru
Глава 4. Ф и з и ч е с к и е с в о й с т в а и х и м и ч е с к и й с о с т а в п о д з е м н ы х вод
79
Eh, мВ
700 Н-
Рис. 4.3. Положение различ­
300
ных типов природных вод на
Eh = pH диаграмме (СВ. Край­
нев. В.М. Швец, 1980). Под­
земные воды: / — кислые тер­
мальные районов современ­
ного магматизма; 2 — грунто­
вые, в том числе воды зон
окисления ( р Н < 4 ) и цемен­
тации ( р Н > 6 ) сульфидных - 3 0 0
месторождений; 3—4 — мине­
ральные (3 — углекислые, 4 —
азотные термальные); 5 — рас­
солы артезианских бассейнов
платформ, краевых прогибов -700
и межгорных впадин, в том
числе связанные с галогенны­
ми формациями. Атмосфер­
ные воды: 6 — дождевые. По­
верхностные воды: 7 — мор­
ские и океанические
2
1
5
3
1 -хЧб
х
Карбонатная жесткость ч и с л е н н о равна сумме м м о л ь Н С О ~ и
С 0 ~ в I д м , если эта сумма м е н ь ш е о б щ е й ж е с т к о с т и , и п р и р а в ­
нивается к величине о б щ е й жесткости, если сумма м м о л ь Н С О ~ +
+ С О ' б о л ь ш е ее.
Устранимая
жесткость
в о т л и ч и е от к а р б о н а т н о й ( р а с ч е т ­
ной) о п р е д е л я е т с я э к с п е р и м е н т а л ь н о и представляет с о б о й р а з ­
ность между с о д е р ж а н и е м с о е д и н е н и й к а л ь ц и я и м а г н и я д о и
после д л и т е л ь н о г о (I час) к и п я ч е н и я . Эта в е л и ч и н а о б ы ч н о на
1 — 1,5 м м о л ь / д м м е н ь ш е к а р б о н а т н о й благодаря тому, что часть
карбонатов к а л ь ц и я и магния остается в растворе, а из той части,
которая выпадает в о с а д о к при к и п я ч е н и и , н е к о т о р о е количество
растворяется вновь.
2
3
2
3
http://geoschool.web.ru
Часть I. П о д з е м н ы е воды как элемент г и д р о с ф е р ы З е м л и
80
Неустранимая
и некарбонатная
жесткость обусловлены н а л и ­
чием сульфатных, х л о р и д н ы х или и н ы х солей к а л ь ц и я и м а г н и я ,
а т а к ж е их г и д р о к с и д о в и о п р е д е л я ю т с я п о в е л и ч и н е р а з н о с т и
между о б щ е й ж е с т к о с т ь ю и с о о т в е т с т в у ю щ и м ее видом.
П о в е л и ч и н е о б щ е й жесткости р а з л и ч а ю т воды: о ч е н ь м я г к и е
(жесткость д о 1,5 м м о л ь / д м ) , м я г к и е (1,5—3), у м е р е н н о ж е с т к и е
(3—5,4), ж е с т к и е (5,4—10,7) и о ч е н ь ж е с т к и е воды (более
10,7 м м о л ь / д м ) . М я г к и м и являются грунтовые воды Севера, воды,
связанные с кристаллическими породами, дождевые. П о в ы ш е н ­
ной ж е с т к о с т ь ю обладают воды и з в е с т н я к о в , д о л о м и т о в и других
к а р б о н а т н ы х пород. Д л я питьевых целей используют п о д з е м н ы е
воды с ж е с т к о с т ь ю д о 7 м г - э к в / д м .
Агрессивность — показатель с п о с о б н о с т и воды к р а з р у ш е н и ю
м а т е р и а л о в ( ц е м е н т а , б е т о н а , металлов) с т р о и т е л ь н ы х с о о р у ж е ­
н и й . Р а з л и ч а ю т н е с к о л ь к о видов а г р е с с и в н о с т и : у г л е к и с л о т н у ю ,
выщелачивания, общекислотную, сульфатную, а также вызываю­
щую к о р р о з и ю металлов.
Углекислотная
агрессивность
проявляется в разрушении кар­
боната к а л ь ц и я , в х о д я щ е г о в состав б е т о н а , под д е й с т в и е м т а к
н а з ы в а е м о й а г р е с с и в н о й , т.е. и з б ы т о ч н о й п о с р а в н е н и ю с р а в н о ­
в е с н о й , части с в о б о д н о й угольной к и с л о т ы . С о д е р ж а н и е С 0
растет с у м е н ь ш е н и е м р Н п р и р о д н ы х вод. С 0
о п р е д е л я ю т по
н о м о г р а м м а м или э к с п е р и м е н т а л ь н о . В з а в и с и м о с т и от с о д е р ж а ­
ния H C O
минерализации, конструкции сооружения и гидро­
динамических параметров нормативами допускается различное
с о д е р ж а н и е а г р е с с и в н о й углекислоты (8,3—3 м г / д м ) в наиболее
опасных условиях. Агрессивную углекислоту нейтрализуют метода­
ми стабилизации с п о м о щ ь ю С а С 0 , С а ( О Н ) , N a C 0 .
Агрессивность выщелачивания
характерна для вод с с о д е р ж а н и ­
ем Н С О ~ м е н ь ш и м , чем н е о б х о д и м о для р а в н о в е с и я с и м е ю щ и м ­
ся к о л и ч е с т в о м с в о б о д н о й у г л е к и с л о т ы . О б ы ч н о эту в е л и ч и н у
определяет к о н ц е н т р а ц и я С 0 в а т м о с ф е р е и л и в п о ч в е н н о м воз­
духе. Вода будет растворять С а С 0 и С а ( О Н ) д о тех п о р п о к а не
будет достигнуто п р о и з в е д е н и е р а с т в о р и м о с т и последнего. Н о р м а
агрессивности выщелачивания в выражении минимально допус­
т и м ы х к о н ц е н т р а ц и й Н С О ~ и з м е н я е т с я от 0,4 д о 1,5 м м о л ь / д м .
3
3
3
1
2
2
v
3
3
2
2
3
2
3
2
3
1
Равновесной называется часть свободной углекислоты, необходимая для су­
ществования в растворе определенных концентраций НСО~ в обратимой реакции
растворения карбонатов: СаСО~ + Н СО,<н>Са + 2НСО~. Равновесные концен­
трации определяются расчетными и экспериментальными методами. И.Ю. Соко­
ловым составлены таблицы концентрации СО-, в зависимости от H C O j .
2+
2
http://geoschool.web.ru
Глава 4. Ф и з и ч е с к и е с в о й с т в а и х и м и ч е с к и й с о с т а в п о д з е м н ы х вод
81
Общекислотная
агрессивность
с в о й с т в е н н а водам при н и з к и х
величинах р Н . И о н ы Н , нейтрализуя г и д р о к с и д - и о н ы , о б р а з у ю ­
щ и е с я при д и с с о ц и а ц и и С а ( О Н ) ц е м е н т н о г о к а м н я , способству­
ют его д а л ь н е й ш е м у р а с т в о р е н и ю . П о э т о м у д о п у с т и м ы е з н а ч е н и я
рН воды, контактирующей с нормальным (некислотостойким)
бетоном без специальных покрытий, не д о л ж н ы быть ниже 5,0—6,3.
Сульфатная
агрессивность
п р и с у щ а водам с в ы с о к и м (более
280 м г / д м ) с о д е р ж а н и е м с у л ь ф а т - и о н а и о б у с л о в л е н а о п а с н о с ­
тью р а з р у ш е н и я ( в с п у ч и в а н и я ) н е с у л ь ф а т о с т о й к и х сортов бетона
за счет о б р а з о в а н и я с у л ь ф а т н ы х с о е д и н е н и й б о л ь ш е г о о б ъ е м а
(например, гидросульфоалюмината кальция, который называют
" б е т о н н о й б а ц и л л о й " , или гипса — при с о д е р ж а н и и с у л ь ф а т о в
более I г / д м ) .
Магнезиальная
агрессивность
вызывается процессами катионного о б м е н а С а бетона на M g воды, к о т о р ы е п р и в о д я т к обра­
з о в а н и ю в теле бетона рыхлого о с а д к а г и д р о к с и д а м а г н и я . О н а
наблюдается при с о д е р ж а н и и м а г н и я в водах более 750 м г / д м .
Степень сульфатной и магнезиальной агрессивности определяют
экспериментально.
Агрессивность воды, я в л я ю щ а я с я п р и ч и н о й коррозии металлов,
и в первую очередь железа, имеет электрохимическую, химическую
и б и о х и м и ч е с к у ю природу. Э л е к т р о х и м и ч е с к а я а г р е с с и в н о с т ь в ы ­
зывает р а з р у ш е н и е ( о к и с л е н и е ) металла при о б р а з о в а н и и м и к р о ­
гальванических т о к о в между этим металлом и электролитами воды
или к и с л о р о д о м водяного пара, х и м и ч е с к а я связана с к и с л о р о д о м
воды, а т а к ж е с к и с л о т а м и и щ е л о ч а м и в ее составе, б и о х и м и ч е ­
ская — с д е я т е л ь н о с т ь ю ж е л е з о б а к т е р и й . Все виды этой а г р е с с и в ­
ности п р и в о д я т к о б р а з о в а н и ю р ж а в ч и н ы и р а з р у ш е н и ю соору­
ж е н и й , м е х а н и з м о в , с к в а ж и н и т.д.
+
2
3
3
2 +
2 +
3
Анализ воды и формы его выражения. Анализ начинается с отбора
пробы, тщательность и правильность которого являются одним
из н е о б х о д и м ы х у с л о в и й п о л у ч е н и я д о с т о в е р н ы х р е з у л ь т а т о в .
Д л я о б е с п е ч е н и я чистоты и м а к с и м а л ь н о й с о х р а н н о с т и п р и р о д ­
ного состава р а з р а б о т а н ы с п е ц и а л ь н ы е правила отбора, п р е д в а р и ­
тельной о б р а б о т к и , к о н с е р в а ц и и и х р а н е н и я проб. А н а л и з воды
д о л ж е н п р о и з в о д и т ь с я в о з м о ж н о б ы с т р е е , н е п о с р е д с т в е н н о после
отбора п р о б ы . Если это н е в о з м о ж н о , п р о б ы к о н с е р в и р у ю т . Хра­
н е н и е проб воды требует н и з к о й т е м п е р а т у р ы , з а м е р з а н и е не д о ­
пускается.
П о н я т и е " а н а л и з в о д ы " в гидрогеологии включает исследование
ее ф и з и ч е с к и х , в ч а с т н о с т и о р г а н о л е п т и ч е с к и х , с в о й с т в , х и м и ­
ческого, в том числе газового и бактериологического, состава.
http://geoschool.web.ru
Часть I. П о д з е м н ы е воды как э л е м е н т г и д р о с ф е р ы З е м л и
82
Д л я х а р а к т е р и с т и к и х и м и ч е с к о г о состава воды п р и м е н я е т с я так
называемый о б щ и й анализ, в к л ю ч а ю щ и й определение стандартно­
го комплекса характерных для подземных вод к о м п о н е н т о в , пока­
зателей и ф и з и к о - х и м и ч е с к и х параметров, р а с с м о т р е н н ы х в ы ш е .
Н а б о р о п р е д е л я е м ы х к о м п о н е н т о в и у р о в е н ь требуемой т о ч ­
н о с т и их а н а л и з а , д и к т у ю щ и й н е о б х о д и м о с т ь п р и м е н е н и я тех
или других методик, о п р е д е л я ю т с я ц е л я м и и с с л е д о в а н и й . Н а и б о ­
лее употребительны три т и п о в ы х к о м п л е к с а а н а л и т и ч е с к и х о п р е ­
д е л е н и й : п о л н ы й , с о к р а щ е н н ы й и полевой.
Полный анализ включает о п р е д е л е н и е ф и з и ч е с к и х , в том числе
органолептических, свойств (температура, прозрачность, масса
взвесей, о с а д о к при с т о я н и и , цвет, запах, вкус и п р и в к у с , п л о т ­
ность, э л е к т р о п р о в о д н о с т ь ) , в е л и ч и н Eh и р Н , с о д е р ж а н и я и о н о в
С1-, S O f , NO", H C O j , С О , Na , K , Ca , M g
Fe , Fe ,
N H , N O ' , А 1 , молекул H S i 0 , H B 0 , газов H S , 0 , С 0
,
в е л и ч и н ы о к и с л я е м о с т и , сухого остатка. П о д а н н ы м а н а л и з а в ы ­
числяются жесткость общая, карбонатная, количество С О , .
П о л н ы й а н а л и з п р о в о д и т с я в с т а ц и о н а р н о й л а б о р а т о р и и , где
п р и м е н я ю т с я наиболее т о ч н ы е а н а л и т и ч е с к и е м е т о д и к и .
2
4 +
+
+
2 +
2 +
2 +
3 +
з ;
4
4
3
3
2
2
2 с в о б
Сокращенный анализ включает те же п о з и ц и и , за и с к л ю ч е н и е м
M g , N a и К , которые о п р е д е л я ю т с я расчетом, а также о к и с л я ­
е м о с т и . Eh, A l , H , S , Н В 0 . О н может в ы п о л н я т ь с я с п о м о щ ь ю
с т а н д а р т н ы х полевых г и д р о г е о х и м и ч е с к и х л а б о р а т о р и й в э к с п е ­
д и ц и о н н ы х условиях в специально оборудованном п о м е щ е н и и .
П р и м е н я е т с я при м а с с о в о м о б с л е д о в а н и и х и м и ч е с к о г о с о с т а в а
п о д з е м н ы х вод региона.
Полевой анализ проводится с п о м о щ ь ю с п е ц и а л ь н ы х о б л е г ч е н ­
ных м а р ш р у т н ы х л а б о р а т о р и й с п о л и э т и л е н о в о й посудой, п о з в о ­
л я ю щ и х проводить о р и е н т и р о в о ч н у ю о ц е н к у с о д е р ж а н и я о с н о в ­
ных шести м а к р о к о м п о н е н т о в , N 0 , N O ~ , F e , С 0
, H S, 0 ,
а также р Н и ф и з и ч е с к и х с в о й с т в н е п о с р е д с т в е н н о на и с т о ч н и к е .
Недостаточная точность полевого анализа несколько к о м п е н с и ­
руется в о з м о ж н о с т ь ю о п р е д е л е н и я н е у с т о й ч и в ы х к о м п о н е н т о в
( H C 0 , С О , 0 , F e ) . П о л е в ы е методы п р и м е н я ю т с я для п о ­
лучения предварительной характеристики химического состава
п о д з е м н ы х вод р а й о н а , иногда п о з в о л я ю т в ы я в л я т ь а н о м а л и и и
служат о с н о в а н и е м для отбора п р о б на п о л н ы й и с о к р а щ е н н ы й
анализы.
В к о м п л е к с м а с с о в ы х г и д р о г е о х и м и ч е с к и х и с с л е д о в а н и й вхо­
дит также полуколичественный спектральный анализ сухого остатка
п о д з е м н ы х вод, д а ю щ и й в о з м о ж н о с т ь о р и е н т и р о в о ч н о о п р е д е ­
л и т ь состав и количество м и к р о к о м п о н е н т о в .
2 +
+
+
3 +
3
3
2+
3
2
3
2+
2
http://geoschool.web.ru
2 с в о б
2
2
Глава 4. Ф и з и ч е с к и е с в о й с т в а и х и м и ч е с к и й с о с т а в п о д з е м н ы х вод
83
Указанные типы анализов предписаны соответствующими ин­
с т р у к ц и я м и и с о п р о в о ж д а ю т п р а к т и ч е с к и все о с н о в н ы е в и д ы
г и д р о г е о л о г и ч е с к и х работ: г и д р о г е о л о г и ч е с к у ю , г и д р о г е о э к о л о ­
гическую и к о м п л е к с н ы е с ъ е м к и , и с с л е д о в а н и я с целью о ц е н к и
э к с п л у а т а ц и о н н ы х з а п а с о в п о д з е м н ы х вод и д р . П р и г и д р о г е о ­
л о г и ч е с к и х работах с п е ц и а л ь н о г о н а з н а ч е н и я о н и д о п о л н я ю т с я
н е о б х о д и м ы м и о п р е д е л е н и я м и . Н а п р и м е р , при о ц е н к е с о с т а в а
м и н е р а л ь н ы х л е ч е б н ы х вод п р о в о д я т а н а л и з ы б а л ь н е о л о г и ч е с к и
а к т и в н ы х к о м п о н е н т о в : р а д о н а , азота, б р о м а , йода, г и д р о с у л ь ­
ф и д - и о н а , о р г а н и ч е с к и х веществ; при изучении п о д з е м н ы х п р о ­
м ы ш л е н н ы х вод с целью и с п о л ь з о в а н и я их как сырья для д о б ы ч и
п о л е з н ы х и с к о п а е м ы х (брома, йода, бора) — а н а л и з ы этих к о м ­
п о н е н т о в ; при г и д р о г е о х и м и ч е с к и х п о и с к а х рудных п о л и м е т а л ­
л и ч е с к и х м е с т о р о ж д е н и й — а н а л и з на соответствующие э л е м е н ­
ты: с в и н е ц , медь, ц и н к и д р . П р и и с с л е д о в а н и я х в о з м о ж н о с т и
и с п о л ь з о в а н и я воды в технических целях о п р е д е л я ю т коагулируемость, к о р р о з и й н ы е свойства, умягчаемость и т.д.
На методы анализа, п р и м е н я е м ы е при гидрогеологических и с ­
следованиях, существуют соответствующие Г О С Т ы . П р и м е н я ю т с я
р а з л и ч н ы е методы а н а л и т и ч е с к о й х и м и и : при полевом анализе —
т и т р и м е т р и ч е с к и е , к о л о р и м е т р и ч е с к и е , т у р б и д и м е т р и ч е с к и е ; при
сокращенном и полном, кроме того, инструментальные (фото­
метрия п л а м е н и , ф о т о к о л о р и м е т р и я , с п е к т р о ф о т о м е т р и я , п о т е н ц и о м е т р и я , р а д и о м е т р и я , х р о м а т о г р а ф и я и др.).
Формы выражения химического состава подземных вод. К о л и ч е ­
с т в е н н у ю характеристику состава п о д з е м н ы х вод п р и н я т о давать
в " к о н ц е н т р а ц и о н н о й " ф о р м е и в ы р а ж а т ь к о л и ч е с т в о м вещества,
приходящегося на е д и н и ц у объема, или для рассолов с в ы с о к о й
плотностью — массы п р и р о д н о г о раствора.
Д л я в ы р а ж е н и я результатов х и м и ч е с к и х а н а л и з о в о б ы ч н о и с ­
пользуются с л е д у ю щ и е три ф о р м ы :
1) весовая (г/л, мг/л, г/кг, мг/кг); последняя (мг/кг) — п р и м е р ­
но соответствует п р и н я т о й в зарубежной литературе е д и н и ц е р р т
("parts per m i l l i o n " — частей на м и л л и о н ) ; для газов (мл, л / к г ) ;
2) эквивалентная
(мг-экв/л, г-экв/л, мг-экв/кг, г-экв/кг) вы­
числяется д е л е н и е м массы вещества на его э к в и в а л е н т н у ю массу;
3) процент-эквивалентная
(%экв) — доля (%) каждого и о н а в
общей ( п р и н и м а е м о й о б ы ч н о за 100%) сумме м и л л и г р а м м - э к в и в а ­
л е н т о в и о н о в о д н о г о з н а к а ( к а т и о н о в или а н и о н о в ) . Эта ф о р м а
п о з в о л я е т с р а в н и в а т ь х и м и ч е с к и й состав п о д з е м н ы х вод р а з н о й
1
1
В электронейтральном растворе суммы мг-экв анионов и катионов должны
быть равны. Несоответствие их свидетельствует о погрешностях анализа.
http://geoschool.web.ru
84
Часть I. П о д з е м н ы е воды как э л е м е н т г и д р о с ф е р ы З е м л и
м и н е р а л и з а ц и и и о ц е н и в а т ь о т н о с и т е л ь н у ю роль каждого и о н а в
их составе.
В о к е а н о л о г и и и гидрологии к о н ц е н т р а ц и ю р а с т в о р е н н ы х ве­
ществ часто в ы р а ж а ю т в п р о м и л л е ( % о ) , что означает т ы с я ч н у ю
д о л ю от целого.
В связи с переходом на М е ж д у н а р о д н у ю систему е д и н и ц ( С И )
п р и в ы ч н ы е для гидрогеологов о б о з н а ч е н и я д о л ж н ы быть и з м е н е ­
ны (табл. 4.4). Вместо т е р м и н о в " в е с " и "весовая к о н ц е н т р а ц и я "
т е п е р ь следует у п о т р е б л я т ь т е р м и н ы " м а с с а " и " м а с с о в а я к о н ­
ц е н т р а ц и я " . Объем рекомендуется в ы р а ж а т ь не в литрах, а в ку­
бических дециметрах. За о с н о в н у ю е д и н и ц у количества вещества
п р и н я т моль.
Таблица 4.4
Сопоставление т р а д и ц и о н н ы х и н о в ы х ф о р м в ы р а ж е н и я
х и м и ч е с к и х анализов п о д з е м н ы х вод
Традиционная
Весовая концентрация: г/л. мг/л, мкг/л
В международных единицах СИ
3
Массовая концентрация: г/дм ,
мг/дм , мкг/дм
3
3
3
Грамм (миллиграмм)-эквивалснт:
г-экв/л, мг-экв/л
Мольная концентрация: моль/дм ,
ммоль/дм , мкмоль/дм
Процент-эквивалент: %экв
Процент-моль: %моль
3
3
Процентная
форма в ы р а ж е н и я а н а л и з о в и с п о л ь з у е т с я д л я их
г р а ф и ч е с к о г о п р е д с т а в л е н и я на г и д р о г е о л о г и ч е с к и х и г и д р о г е о ­
х и м и ч е с к и х картах, разрезах, г р а ф и к а х (рис. 4.4). В ч а с т н о с т и , в
л и т е р а т у р е с е й ч а с встречается уже у с т а р е в ш а я , т а к н а з ы в а е м а я
солевая ф о р м а в ы р а ж е н и я а н а л и з а в виде г р а ф и к а - п р я м о у г о л ь ­
н и к а (а). И о н ы на нем н а н е с е н ы в п о р я д к е у м е н ь ш е н и я р а с т в о ­
римости, пунктиром показаны "гипотетические соли". Однако в
с в я з и с т е м , что п р о ц е с с ы ф о р м и р о в а н и я х и м и ч е с к о г о с о с т а в а
являются значительно более с л о ж н ы м и , нежели простое растворе­
ние, с генетической точки з р е н и я эта ф о р м а в ы р а ж е н и я анализов
не в п о л н е к о р р е к т н а . К р у г и - д и а г р а м м ы и л и г р а ф и к и - к р у г и (б, в)
делятся п о п о л а м , слева (сверху вниз) п р о п о р ц и о н а л ь н о п р о ц е н т ­
ному содержанию откладываются а н и о н ы , справа — катионы.
М и н е р а л и з а ц и я п р о с т а в л я е т с я р я д о м ; н е р е д к о ее о т р а ж а ю т и в
в е л и ч и н е д и а м е т р а круга. К р о м е у к а з а н н ы х п р и м е н я ю т р а з л и ч ­
ные г р а ф и ч е с к и е и з о б р а ж е н и я и з м е н е н и й х и м и ч е с к о г о состава в
пространстве: в разрезе о д н о й или н е с к о л ь к и х ( г и д р о х и м и ч е с к и й
п р о ф и л ь , по А.А. Бродскому) с к в а ж и н ; в радиальных координатах;
многочисленные диаграммы, имеющие целью д и ф ф е р е н ц и а ц и ю
состава вод в з а в и с и м о с т и от их генезиса ( н а п р и м е р , д и а г р а м м ы
М.Г. В а л я ш к о , В.А. С у л и н а и др.).
http://geoschool.web.ru
Глава 4. Ф и з и ч е с к и е с в о й с т в а и х и м и ч е с к и й с о с т а в п о д з е м н ы х вод
СКВ.1
f, °С ммоль/л
8
Юг
7 6 -
скв.2
85
скв.З
Г
(Na +K )
+
+
Рис. 4.4. Графические способы выражения химического состава воды: а — гра­
фик-прямоугольник (пунктир — "гипотетические" соли); б — круги-диаграммы;
в — гидрогеохимический профиль (по А.А. Бродскому):
1 - НСОг; 2 -
+
2+
SO? ; 3 — С\~\ 4 - Са , 5 - M g
2+
6 — (Na*"+ К*); 7 - N O : ; 8-
ГС
Процент-мольная
(%экв) ф о р м а в ы р а ж е н и я х и м и ч е с к и х а н а л и ­
зов воды, к р о м е того, ш и р о к о используется для представления их
результатов в с п е ц и ф и ч е с к о й , п р и м е н я е м о й т о л ь к о для а н а л и з а
п р и р о д н ы х вод, к р а т к о й ф о р м е — т а к н а з ы в а е м ы х ф о р м у л х и м и ­
ческого состава.
http://geoschool.web.ru
Часть I. П о д з е м н ы е воды как э л е м е н т г и д р о с ф е р ы Земли
86
Ф о р м у л а и о н н о г о состава представляет собой псевдодробь, в
числителе которой в порядке убывания процент-эквивалентных
к о н ц е н т р а ц и й у к а з а н ы о с н о в н ы е а н и о н ы , а в з н а м е н а т е л е — ка­
т и о н ы . О б ы ч н о у к а з ы в а ю т л и ш ь те и о н ы , к о н ц е н т р а ц и я которых
п р е в ы ш а е т 10, и н о г д а 20%. П е р е д д р о б ь ю с т а в и т с я п р о п и с н а я
буква М ( м и н е р а л и з а ц и я ) , и н д е к с и р о в а н н а я справа внизу ее з н а ч е ­
нием для д а н н о й воды ( г / д м ) , округленным до двух-трех значащих
ц и ф р . Н а п р и м е р , состав воды и с т о ч н и к а из д о л о м и т и з и р о в а н н ы х
и з в е с т н я к о в к а р б о н а на Урале в этой ф о р м е выглядит с л е д у ю щ и м
образом:
3
HCO,75S0 25
4
, U 2
Са50 Mg40(Na + K ) 1 0 '
Л а к о н и з м , и н ф о р м а т и в н о с т ь , удобство д л я р а б о т ы , о с о б е н н о
при массовых количествах х и м и ч е с к и х а н а л и з о в , обусловили ш и ­
рокое применение таких формул в практике научно-исследова­
тельских и п р о и з в о д с т в е н н ы х работ.
Формула ионного состава — это с о к р а щ е н н ы й вариант т а к н а ­
зываемой ф о р м у л ы Курлова, п р е д л о ж е н н о й М.Г. К у р л о в ы м е щ е
в 1921 г. для к о м п а к т н о г о п р е д с т а в л е н и я с в е д е н и й о м и н е р а л ь ­
н ы х водах и п р и м е н я ю щ е й с я д о н а с т о я щ е г о в р е м е н и . К р о м е
и о н н о г о состава о н а в к л ю ч а е т с в е д е н и я о газах, с п е ц и ф и ч е с к и х
к о м п о н е н т а х и н е д и с с о ц и и р о в а н н ы х молекулах ( н а п р и м е р , Br, 1,
H S i 0 ) в составе воды. Эти д а н н ы е (в г / д м ) проставляются перед
в е л и ч и н о й м и н е р а л и з а ц и и слева от псевдодроби. С в е д е н и я о р Н ,
температуре Т (°С) и дебите Д или с у м м а р н о м дебите Д Х (л/сут)
указываются справа от псевдодроби.
3
4
4
В качестве п р и м е р а п р и в о д и м ф о р м у л у с е р о в о д о р о д н о й воды
" Н о в а я М а ц е с т а " из и з в е с т н я к о в верхнеюрского возраста на ку­
рорте С о ч и :
О 97 Н С О 2
H S 0,421 В г 0 , 0 6 110,06 ^ 6 . o
2
3
(
N
a
+
K
)
7
9
c
a
, 4 ^ I 4 0 .
Н а и м е н о в а н и е х и м и ч е с к о г о состава воды включает два слова,
которые о п р е д е л я ю т п р е о б л а д а ю щ и е а н и о н и к а т и о н . Н а п р и м е р ,
состав м и н е р а л ь н о й воды " Н о в а я М а ц е с т а " , п р и в е д е н н ы й в ы ш е ,
х л о р и д н ы й н а т р и е в ы й . П р и з н а ч и м о м ( о б ы ч н о более 25 % - э к в )
с о д е р ж а н и и других а н и о н о в или к а т и о н о в о н и вводятся в н а и м е ­
н о в а н и е состава в качестве у т о ч н е н и я , т.е. перед п р е о б л а д а ю щ и м
и о н о м . Н а п р и м е р , с о с т а в воды и с т о ч н и к а на С р е д н е м Урале в
соответствии с п р и в е д е н н о й в ы ш е ф о р м у л о й его и о н н о г о состава
сульфатно-гидрокарбонатный магниево-кальциевый.
http://geoschool.web.ru
Глава 4. Ф и з и ч е с к и е с в о й с т в а и х и м и ч е с к и й с о с т а в п о д з е м н ы х вод
87
Классификации подземных вод по химическому составу. Д о на­
с т о я щ е ю в р е м е н и не с у щ е с т в у е т у н и в е р с а л ь н о й , г е н е т и ч е с к и
о б о с н о в а н н о й к л а с с и ф и к а ц и и состава п о д з е м н ы х вод, у ч и т ы в а ю ­
щей все м н о г о о б р а з и е его и н г р е д и е н т о в в р а з л и ч н ы х ф о р м а х и
состояниях. Нет такой универсальной к л а с с и ф и к а ц и и и для х и м и ­
ческого состава подземных вод. В то же время в связи с необходи­
мостью с и с т е м а т и з а ц и и гидрогеохимических д а н н ы х д л я о ц е н к и
в о з м о ж н о с т и п р а к т и ч е с к о г о и с п о л ь з о в а н и я п о д з е м н ы х вод в хо­
зяйственно-питьевых, лечебных, п р о м ы ш л е н н ы х или иных целях,
а также для исследования о б щ и х з а к о н о м е р н о с т е й их ф о р м и р о в а ­
ния р а з р а б о т а н о б о л ь ш о е ч и с л о р а з л и ч н ы х ( о б щ и х , р е г и о н а л ь ­
ных, прикладных) к л а с с и ф и к а ц и й . Авторами их являются видней­
шие ученые, р а б о т а в ш и е в области гидрогеохимии: О.А. А л е к и н ,
М.Г. В а л я ш к о , В.И. В е р н а д с к и й , В.В. И в а н о в , A . M . О в ч и н н и к о в ,
К.Е. Питьева, В . С . С а м а р и н а , В.А. С у л и н , Н . И . Т о л с т и х и н и д р .
Среди о б щ и х к л а с с и ф и к а ц и й п о д з е м н ы х вод по х и м и ч е с к о м у
составу В . С . С а м а р и н а (1977) выделяет две крупные группы: " ч и с ­
то х и м и ч е с к и е " и "с э л е м е н т а м и генетической о с н о в ы " .
К первой группе относятся к л а с с и ф и к а ц и и , б а з и р у ю щ и е с я на
п р и н ц и п е " п р е о б л а д а ю щ и х и о н о в " , для которых о с н о в н ы м клас­
с и ф и к а ц и о н н ы м признаком является фактическое содержание
к о м п о н е н т о в состава без (или почти без) к а к о й - л и б о генетической
и н т е р п р е т а ц и и . П р и м е р а м и могут с л у ж и т ь уже у п о м и н а в ш и е с я
ф о р м у л ы Курлова и и о н н о г о состава, а также р а з н о о б р а з н ы е гра­
ф и к и - к в а д р а т ы . П о с л е д н и е представляют собой сетку в к о о р д и ­
натах " а н и о н ы - к а т и о н ы " (в р а з л и ч н ы х с о ч е т а н и я х ) , к а ж д ы й э л е ­
мент которой (класс) соответствует о п р е д е л е н н о м у с о о т н о ш е н и ю
между п р е о б л а д а ю щ и м и и о н а м и и имеет свой н о м е р . Ч и с л о
классов определяется количеством в о з м о ж н ы х с о ч е т а н и й и о н о в и
составляет от 36 (А.А. Б р о д с к и й ) д о 625 ( О . С . Д ж и к и я ) .
П р и м е р о м второй группы является к л а с с и ф и к а ц и я В.А. С у л и н а
для н е ф т я н ы х вод, в соответствии с к о т о р о й т и п ы х и м и ч е с к о г о
состава выделяются не по ф а к т и ч е с к о м у п р е о б л а д а н и ю и о н о в , а
по з н а ч е н и я м с п е ц и а л ь н о в ы ч и с л е н н ы х к о э ф ф и ц и е н т о в (г) — с о ­
о т н о ш е н и й и о н о в в м г - э к в / д м . П р и этом н а и м е н о в а н и я четырех
основных химических т и п о в воды не соответствуют ф а к т и ч е с к о м у
х и м и ч е с к о м у составу. К с у л ь ф а т н о - н а т р и е в о м у (1) и г и д р о к а р б о н а т н о - н а т р и е в о м у (II) х и м и ч е с к и м т и п а м относятся воды со з н а ­
чениями коэффициента r(Na—C1)/>S0 соответственно меньше
или б о л ь ш е е д и н и ц ы . С о д е р ж а н и е натрия в этих водах п р е в ы ш а ­
ет с о д е р ж а н и е хлора, что допускает в о з м о ж н о с т ь ф о р м и р о в а н и я
сульфатных (I т и п ) или с у л ь ф а т н ы х и г и д р о к а р б о н а т н ы х (II т и п )
3
4
http://geoschool.web.ru
Часть I. П о д з е м н ы е воды как э л е м е н т г и д р о с ф е р ы З е м л и
88
с о е д и н е н и й н а т р и я . С ч и т а е т с я , что эти х и м и ч е с к и е т и п ы с в о й ­
с т в е н н ы водам к о н т и н е н т а л ь н о г о генезиса. Х л о р м а г н и е в ы й (III)
и х л о р к а л ь ц и е в ы й (IV) т и п ы х а р а к т е р и з у ю т с я с о о т в е т с т в е н н о
м е н ь ш и м и или б о л ь ш и м и е д и н и ц ы з н а ч е н и я м и к о э ф ф и ц и е н т а
г (CI—Na)/V M g , при этом считается, что наличие в составе хлорида
магния (III т и п ) свидетельствует о ее м о р с к о м генезисе, а х л о р и ­
да к а л ь ц и я (IV тип) — о м е т а м о р ф и з а ц и и состава, с в о й с т в е н н о й
наиболее глубоким, в частности н е ф т я н ы м , водам. В.А. С у л и н ы м
разработана г р а ф и ч е с к а я д и а г р а м м а , п о з в о л я ю щ а я учесть и м н о ­
жество д о п о л н и т е л ь н ы х п о д т и п о в воды.
К л а с с и ф и к а ц и я О.А. А л е к и н а , р а з р а б о т а н н а я для п р и р о д н ы х
вод и п р и м е н я е м а я к п о д з е м н ы м , имеет п р о м е ж у т о ч н ы й харак­
тер, поскольку вода относится к о п р е д е л е н н ы м классу и группе в
соответствии с п р е о б л а д а ю щ и м и а н и о н о м и к а т и о н о м , а далее по
к о э ф ф и ц и е н т а м — к о д н о м у из четырех (I—IV) генетических т и ­
пов (рис. 4.5).
Рис. 4.5. Классификация природных вод по химическому составу {О.А.
Типы химического состава (ммоль/дм ):
Л/екин).
2
I -
2
2+
Н С О - > С а ^ + M g ; II III -
2 +
2 +
НСО" < С а
2
H C O - + S 0 < C a + M g ' ; IV -
2 +
+ Mg
2 +
2 +
< НСО" + S 0 ;
НСО_" = 0 (кислые)
Существуют к л а с с и ф и к а ц и и вод с учетом газового состава и о б становок формирования (А.М.Овчинников), бальнеологических
к о м п о н е н т о в ( В . А . А л е к с а н д р о в , В . В . И в а н о в и Г.А. Н е в р а е в ) и
м н о г и е другие.
Основные ингредиенты химического состава. В их с о в о к у п н о с т и
рассматривают: 1) р а с т в о р е н н ы е м и н е р а л ь н ы е вещества, 2) орга­
н и ч е с к и е вещества, 3) газы, 4) и з о т о п ы и в н е о б х о д и м ы х случаях
5) а н т р о п о г е н н ы е к о м п о н е н т ы - з а г р я з н и т е л и . У ч и т ы в а я , что в е -
http://geoschool.web.ru
Глава 4. Ф и з и ч е с к и е с в о й с т в а и х и м и ч е с к и й с о с т а в п о д з е м н ы х вод
89
щества п о с л е д н и х двух групп всегда о т н о с я т с я к о д н о й из трех
первых, отметим для себя н е к о т о р у ю н е к о р р е к т н о с т ь такого р а з ­
д е л е н и я , с д е л а н н о г о для удобства и з л о ж е н и я .
Р а с т в о р е н н ы е м и н е р а л ь н ы е вещества в первую очередь пред­
ставлены м а к р о к о м п о н е н т а м и состава п о д з е м н ы х вод.
Хлор-ион преобладает в составе м о р с к и х и о к е а н и ч е с к и х вод и,
участвуя в п р о ц е с с а х с е д и м е н т а ц и и и галогенеза ( с о л е о б р а з о в а ния в л а г у н н ы х условиях), является о с н о в н ы м а н и о н о м с е д и м е н т а ц и о н н ы х вод а р т е з и а н с к и х б а с с е й н о в и вод, ф о р м и р у ю щ и х с я в
результате р а с т в о р е н и я с о л я н ы х т о л щ и з а с о л е н н ы х п о р о д . О н
может поступать в воды с в у л к а н и ч е с к и м и э к с г а л я ц и я м и и глу­
б и н н ы м и м е т а м о р ф о г е н н ы м и ф л ю и д а м и , а т а к ж е при р а з р у ш е ­
н и и г а з о в о - ж и д к и х м и к р о в к л ю ч е н и й в м а г м а т и ч е с к и х породах,
с о д е р ж а щ и х х л о р и д н ы е рассолы. Н е к о т о р о е количество хлора с о ­
держится в атмосферных осадках, особенно вблизи морских и
океанических побережий (эоловые процессы). Н а к о н е ц , о г р о м н ы е
количества хлора поступают в п о д з е м н у ю гидросферу с б ы т о в ы м и
и промышленными стоками.
В ы с о к а я р а с т в о р и м о с т ь п р и р о д н ы х с о е д и н е н и й хлора и его
геохимическая " и н е р т н о с т ь " (он не сорбируется, не усваивается
м и к р о о р г а н и з м а м и , не о к и с л я е т с я и не восстанавливается), а т а к ­
же с п о с о б н о с т ь к р а з у п о р я д о ч и в а н и ю структуры воды и п о н и ж е ­
н и ю внутреннего структурного д а в л е н и я раствора о б у с л о в л и в а ю т
его п р е к р а с н ы е м и г р а ц и о н н ы е свойства и с п о с о б н о с т ь к н а к о п ­
л е н и ю в глубоких п о д з е м н ы х водах.
С о д е р ж а н и е хлора в п о д з е м н ы х водах имеет н а и б о л ь ш и й для
м а к р о к о м п о н е н т о в д и а п а з о н — от т ы с я ч н ы х долей г / д м в грун­
товых водах Севера д о 340—360 г / д м в рассолах. В грунтовых в о ­
дах с о д е р ж а н и е хлора возрастает с севера на юг до 10—30 г / д м в
аридной зоне. В разрезе с о д е р ж а н и е хлора, как п р а в и л о , растет с
глубиной.
П о ГОСТу н о р м а хлора в питьевой воде не д о л ж н а п р е в ы ш а т ь
0,35 г / д м . Вода приобретает с о л о н о в а т ы й п р и в к у с уже при с о ­
д е р ж а н и и хлора 0,3 г / д м .
Сульфат-ион
поступает в п о д з е м н ы е воды из с у л ь ф а т с о д е р ж а щих м и н е р а л о в пород: гипса ( C a S 0 • 2 Н 0 ) , ангидрита ( C a S 0 ) ,
м и р а б и л и т а ( N a S 0 - 1 0 Н О ) , глауберита ( [ N a C a ( S 0 ) | ) и дру­
гих, при о к и с л е н и и с у л ь ф и д н ы х м и н е р а л о в , прежде всего р а з л и ч ­
ных с у л ь ф и д о в железа (марказита, гидротроиллита, п и р и т а ) . О д ­
ним из и с т о ч н и к о в с у л ь ф а т - и о н а я в л я ю т с я а т м о с ф е р н ы е о с а д к и ,
поскольку при с ж и г а н и и угля, всегда с о д е р ж а щ е г о с у л ь ф и д ы , на­
п р и м е р , т е п л о в ы м и э л е к т р о с т а н ц и я м и или при е д и н о в р е м е н н ы х
3
3
3
3
3
4
2
4
2
2
http://geoschool.web.ru
4
2
4
2
4
Часть I. П о д з е м н ы е воды как элемент г и д р о с ф е р ы Земли
90
выбросах с е р н и с т о г о газа п р о м ы ш л е н н ы м и п р е д п р и я т и я м и в ат­
мосфере фактически образуется серная кислота значительной
к о н ц е н т р а ц и и ( " к и с л ы е д о ж д и " ) . А н а л о г и ч н ы е следствия могут
иметь и з в е р ж е н и я вулканов. В о т л и ч и е от хлора с у л ь ф а т - и о н а к ­
т и в н о участвует в б и о х и м и ч е с к и х ц и к л а х м и к р о о р г а н и з м о в , в
процессе которых он может как поступать в п о д з е м н ы е воды, так
и в ы в о д и т ь с я из них (см. разд. 4.4). Х и м и ч е с к о е о с а ж д е н и е из
подземных вод в о б щ е м случае определяется р а с т в о р и м о с т ь ю его
о с н о в н ы х с о е д и н е н и й , в частности гипса (около 2 г / д м ) . О д н а к о
на эту в е л и ч и н у с и л ь н о влияет п р и с у т с т в и е других с о е д и н е н и й
как в сторону у в е л и ч е н и я ( н а п р и м е р , N a C l до четырех раз), так и
в сторону у м е н ь ш е н и я ( M g S 0 до четырех раз).
3
4
С о д е р ж а н и е с у л ь ф а т - и о н а в п о д з е м н ы х водах и з м е н я е т с я от
первых м г / д м в грунтовых водах Севера до н е с к о л ь к и х д е с я т к о в
г / д м в пластовых водах а р т е з и а н с к и х б а с с е й н о в , в зонах о к и с л е ­
ния с у л ь ф и д н ы х м е с т о р о ж д е н и й и в р а й о н а х р е г и о н а л ь н о г о раз­
вития с у л ь ф а т н ы х пород ( С е в е р о - З а п а д ЕЧ Р о с с и и ) . В глубоких
частях а р т е з и а н с к и х б а с с е й н о в в зоне а н а э р о б н ы х б и о х и м и ч е с к и х
процессов сульфатредукции и глубже сульфат-ион практически от­
сутствует. С о д е р ж а н и е его в питьевых водах не д о л ж н о превышать
500 м г / д м .
3
3
3
Гидрокарбонати карбонат-ионы,
свободная углекислота пред­
ставляют собой так н а з ы в а е м у ю систему к о м п о н е н т о в к а р б о н а т ­
ного равновесия:
С0
(газ) + Н 0
2
2
1%
Н С0
2
+
3
^ Н + HCOj ^
2
2Н++С0 -
99%
свободная углекислота
Равновесие определяется динамикой изменений количества
углекислоты и п а р ц и а л ь н о г о д а в л е н и я углекислого газа, т е м п е р а ­
турой, д а в л е н и е м и др.
Компоненты карбонатной системы поступают в подземные
воды при р а с т в о р е н и и с у ч а с т и е м у г л е к и с л о т ы а т м о с ф е р н о г о ,
б и о х и м и ч е с к о г о , т е р м о м е т а м о р ф и ч е с к о г о генезиса — с л а б о р а с т ­
в о р и м ы х к а р б о н а т н ы х м и н е р а л о в кальцита ( С а С 0 ) и д о л о м и т а
(CaMg ( С 0 ) ) , широко распрстраненных в литосфере (известня­
ки, д о л о м и т ы , к а р б о н а т н ы й цемент в песчаниках, глинах и др.).
Растворимость С а С 0 увеличивается с ростом парциального давле­
ния р С О , в системе. При близком к а т м о с ф е р н о м у р С О , условия
для преобладания и о н о в Н С О , в составе подземных вод создаются
тогда, когда в породах нет или уже нет более р а с т в о р и м ы х м и н е 3
3
2
3
http://geoschool.web.ru
Глава 4. Ф и з и ч е с к и е с в о й с т в а и х и м и ч е с к и й с о с т а в п о д з е м н ы х вод
91
ралов. П о э т о м у и о н ы Н С О ~ о б ы ч н о я в л я ю т с я о с н о в н ы м и к о м п о ­
нентами состава пресных вод. Вторым к р у п н ы м и с т о ч н и к о м этих
ионов является углекислота термометаморфического, биохими­
ческого, в у л к а н и ч е с к о г о , а т м о с ф е р н о г о генезиса или с в я з а н н а я с
промышленно-хозяйственной деятельностью человека. Кроме
того, и о н ы Н С О , могут поступать в воды при г и д р о л и т и ч е с к о м
р а з л о ж е н и и а л ю м о с и л и к а т н ы х м и н е р а л о в (полевых ш п а т о в , гид­
рослюд) с участием углекислоты. И о н Н С О , является о с н о в н ы м
к о м п о н е н т о м состава так н а з ы в а е м ы х " с о д о в ы х " вод, п р о б л е м а
генезиса которых рассматривается н и ж е (см. разд. 4.4).
Система компонентов карбонатного равновесия тесно связана
со ш е л о ч н о - к и с л о т н ы м и условиями и нередко определяет их. При
рН 4 — 8 , 5 в воде сосуществуют Н^СО, и Н С О " , при рН 8,5—12,0 —
Н С О " и С О ; . И о н Н С О , преобладает над о с т а л ь н ы м и ф о р м а м и
в интервале рН 6,5—10,0 при рН < 4,0 — т о л ь к о в ф о р м е H , C O
Если учесть, что д и а п а з о н рН для б о л ь ш и н с т в а п р и р о д н ы х вод
составляет 6,2—8,2, то о ч е в и д н о , что из к о м п о н е н т о в к а р б о н а т ­
ной с и с т е м ы в п о д з е м н ы х водах ч а щ е других будет п р и с у т с т в о ­
вать Н С О , . В кислых водах преобладает с в о б о д н а я углекислота, в
щ е л о ч н ы х при р Н > 1 ( ) ( р е а л ь н о м е н ь ш и х из-за н а л и ч и я других
р Н - з а д а ю щ и х систем) — С О " . Щ е л о ч н о - к и с л о т н ы е условия ма­
л о м и н е р а л и з о в а н н ы х вод, н а п р и м е р грунтовых в гумидной з о н е ,
часто задаются и м е н н о этой с и с т е м о й . А б с о л ю т н ы е к о л и ч е с т в а
Н С О , в них в связи с н и з к о й р а с т в о р и м о с т ь ю п р и р о д н ы х с о е д и ­
н е н и й н е в е л и к и , о н и о п р е д е л я ю т с я п а р ц и а л ь н ы м д а в л е н и е м СО^
атмосферного и б и о х и м и ч е с к о г о генезиса и о б ы ч н о не п р е в ы ш а ю т
0.3—0,4 г / д м . В водах а р т е з и а н с к и х б а с с е й н о в и в м и н е р а л ь н ы х
углекислых водах с о д е р ж а н и е Н С О , может достигать н е с к о л ь к и х
г / д м . В связи с тем что и о н ы Н С О т и С О л е г к о гидратируются
и п о в ы ш а ю т внутреннее структурное давление раствора, миграция
их на глубине затруднена.
+
v
3
1
3
3
3
Натрий-ион,
как и хлор, в с в я з и с в ы с о к о й р а с т в о р и м о с т ь ю
его о с н о в н ы х п р и р о д н ы х с о е д и н е н и й н е з н а ч и т е л ь н ы м участием в
биохимических процессах и слабыми гидратационными и сорбционными свойствами прекрасно мигрирует и накапливается в
подземных водах, в том числе в рассолах. С о д е р ж а н и е его в п о д ­
земных водах и з м е н я е т с я от н е с к о л ь к и х м и л л и г р а м м о в до сотен
граммов в 1 д м в глубоких водах. С о д е р ж а н и е натрия в питьевых
3
1
Растворимость СаСО, в дистиллированной воде при нормальных условиях
еоставляс! 0,069 г/дм'.
http://geoschool.web.ru
92
Часть I. П о д з е м н ы е воды как элемент г и д р о с ф е р ы З е м л и
3
водах не д о л ж н о п р е в ы ш а т ь 0,2 г / д м . Существуют н о р м а т и в ы и
для о р о с и т е л ь н ы х , технических вод и др.
Калий-ион в отличие от натрия активно участвует в б и о х и м и ч е ­
ских процессах, легко сорбируется, быстро связывается в трудно­
растворимые с о е д и н е н и я в коре выветривания, захватываясь к р и с ­
таллической р е ш е т к о й глинистых м и н е р а л о в . Поэтому, несмотря
на о ч е н ь в ы с о к у ю р а с т в о р и м о с т ь его м и н е р а л о в ( К О — 340,
К , С 0 — 1117 г / д м ) , с о д е р ж а н и е его, о с о б е н н о в верхней части
гидрогеологического разреза, н е з н а ч и т е л ь н о . В рассолах к о н ц е н т ­
р а ц и и с о с т а в л я ю т д е с я т к и и даже сотни г / д м .
Кальций-ион
поступает в воды при р а с т в о р е н и и кальцита, д о ­
л о м и т а , гипса, г и д р о л и т и ч е с к о м р а з р у ш е н и и п л а г и о к л а з о в , т.е.
м и н е р а л о в с о т н о с и т е л ь н о слабой р а с т в о р и м о с т ь ю . О н участвует
в биохимических процессах и хорошо сорбируется. В связи с
этим он может преобладать в к а т и о н н о м составе г и д р о к а р б о н а т ­
ных грунтовых вод при с о д е р ж а н и и д о 0,4 г / д м , в с у л ь ф а т н ы х
грунтовых и а р т е з и а н с к и х водах при с о д е р ж а н и и до н е с к о л ь к и х
граммов на 1 д м . В х л о р и д н ы х сверхкрепких " х л о р к а л ь ц и е в ы х "
рассолах в самых глубоких частях а р т е з и а н с к и х б а с с е й н о в может
содержаться до нескольких сотен г / д м , в связи с тем, что выпаде­
ние в осадок СаС1 в о з м о ж н о л и ш ь при к о н ц е н т р а ц и и 745 г / д м
( N a C l — 360 г / д м ) , которая не достигается нигде в г и д р о с ф е р е
Земли. Хлоркальциевые рассолы характеризуются м а к с и м а л ь н ы м и
и з в е с т н ы м и для п о д з е м н ы х вод в е л и ч и н а м и м и н е р а л и з а ц и и .
3
3
3
3
3
3
3
7
3
От массы растворенных в воде и о н о в кальция и магния зависит
величина ее жесткости.
Магний-ион в подземных водах очень редко является преоблающ и м , он характеризуется д о в о л ь н о слабой м и г р а ц и о н н о й с п о с о б ­
н о с т ь ю и п р а к т и ч е с к и не н а к а п л и в а е т с я , н е с м о т р я на в ы с о к у ю
растворимость его сульфатных и хлоридных с о е д и н е н и й ( M g S 0 —
360, M g C l — 558 г / д м ) . П р и ч и н а м и этого я в л я ю т с я его в ы с о к и е
с о р б ц и о н н ы е и г и д р а т а ц и о н н ы е свойства, участие в процессе д о ­
л о м и т и з а ц и и к а р б о н а т н ы х пород, а т а к ж е в о з м о ж н о с т ь встраива­
ния его (в связи с м а л ы м и р а з м е р а м и ) с в ы с о к о й э н е р г е т и ч е с к о й
" в ы г о д о й " в к р и с т а л л и ч е с к и е р е ш е т к и вторичных м и н е р а л о в .
П р и р о д н ы е к а р б о н а т ы м а г н и я (доломит, магнезит) р а с т в о р и ­
мы мало, в связи с чем м а г н и й наряду с к а л ь ц и е м может являться
о д н и м из о с н о в н ы х к о м п о н е н т о в состава с л а б о м и н е р а л и з о в а н н ы х
грунтовых вод г и д р о к а р б о н а т н о г о состава. В рассолах с о д е р ж а н и е
м а г н и я , как п р а в и л о , не п р е в ы ш а е т н е с к о л ь к и х д е с я т к о в г / д м .
Кремнекислота
имеет существенное значение в химическом
составе н а и м е н е е м и н е р а л и з о в а н н ы х грунтовых вод Севера, т е р 4
3
7
3
http://geoschool.web.ru
Глава 4. Ф и з и ч е с к и е с в о й с т в а и х и м и ч е с к и й с о с т а в п о д з е м н ы х вод
93
мальных азотных и щ е л о ч н ы х вод. П р и р о д н ы е соединения группы
кварца ( к р е м н е з е м и др.) относятся к группе н а и м е н е е р а с т в о р и ­
мых: р а с т в о р и м о с т ь к в а р ц а при 25°С составляет всего 6,5 м г / д м ,
а м о р ф н о г о кремнезема — н е м н о г о более 100 м г / д м . В природных
условиях о б р а з о в а н и е а м о р ф н о г о к р е м н е з е м а н а и б о л е е а к т и в н о
происходит при разрушении а л ю м о с и л и к а т о в и кварца, н а п р и м е р ,
в слое сезонного промерзания—протаивания. И м е н н о поэтому
к р е м н е к и с л о т а является о д н и м из о с н о в н ы х к о м п о н е н т о в состава
грунтовых вод Севера, надмерзлотных вод и верховодки, в которых
содержание других к о м п о н е н т о в н и ч т о ж н о мало. П р и этом содер­
ж а н и е H S i 0 о б ы ч н о не п р е в ы ш а е т 20—30 м г / д м (в пересчете
на S i 0 ) .
В ы с о к и е с о д е р ж а н и я к р е м н е к и с л о т ы (до 900 м г / д м ) н а б л ю д а ­
ются в т е р м а л ь н ы х водах, н а п р и м е р в а з о т н ы х термах гейзеров
Камчатки, Новой Зеландии и других, так как растворимость сили­
катов растет с п о в ы ш е н и е м температуры. Максимальные концент­
рации (до нескольких граммов на 1 д м ) обнаружены в в ы с о к о щ е ­
лочных (рН 11,0—12,0) водах, причем о н и могут быть и холодными.
Ф о р м ы миграции кремнекислоты зависят от щелочно-кислотных
условий. П р и низких и нейтральных значениях р Н кремнекислота
мигрирует п р е и м у щ е с т в е н н о в молекулярной ф о р м е H S i 0 ; с п о ­
вышением рН в воде появляется ион H S i 0 , при рН 10 отношение
его к о н ц е н т р а ц и и к м о л е к у л я р н о й ф о р м е составляет 3:2. К р о м е
истинно растворенной кремнекислота нередко мигрирует в колло­
идной ф о р м е . О н а участвует в биохимических процессах и и с п о л ь ­
зуется к а к в а ж н ы й б а л ь н е о л о г и ч е с к и й к о м п о н е н т , в ч а с т н о с т и ,
при к о ж н ы х заболеваниях.
Изотопный
состав элементов
в подземных водах. К р о м е р а с ­
с м о т р е н н ы х в ы ш е и з о т о п о в кислорода и водорода воды наиболее
существенное значение имеют природные стабильные изотопы
серы ( S , S ) , углерода ( С , С ) , н е к о т о р ы е р а д и о а к т и в н ы е и з о ­
т о п ы - и н д и к а т о р ы ( S , С 1 , F e , ' J ) , а также к о с м о г е н н ы й С .
С т а б и л ь н ы е и з о т о п ы используют для в ы я с н е н и я генезиса х и м и ­
ческого состава п о д з е м н ы х вод, н а п р и м е р по более в ы с о к о м у с о ­
д е р ж а н и ю Н и 0 м о ж н о д и ф ф е р е н ц и р о в а т ь воды с е д и м е н т а ц и о н н о г о генезиса и и н ф и л ь т р а ц и о н н ы е . Р а д и о а к т и в н ы е и з о т о п ы
урана также м о ж н о использовать в этих целях. Н а п р и м е р , в е л и ­
чина с о о т н о ш е н и я
U / U р а з л и ч н а для п о в е р х н о с т н ы х речных
(1,25), грунтовых вод (1,2—2,0) и глубоких, с в я з а н н ы х с т е к т о н и ­
ч е с к и м и р а з л о м а м и (3—10).
Важной является изотопная индикация генезиса серы. По
Г . А . Д у б и н и н о й , с о е д и н е н и я ее, о б р а з о в а в ш и е с я б и о х и м и ч е с к и м
3
3
3
4
4
2
3
3
4
3
32
34
| 2
35
2
5 |
| 3
s 9
l3
1 8
2 3 4
4
4
2 3 8
http://geoschool.web.ru
| 4
Часть I. П о д з е м н ы е воды как э л е м е н т г и д р о с ф е р ы З е м л и
94
путем, о б е д н е н ы т я ж е л ы м и и з о т о п а м и о т н о с и т е л ь н о с т а н д а р т а ,
что позволяет д о с т а т о ч н о четко и д е н т и ф и ц и р о в а т ь генезис с е р о ­
водорода и сульфатов в водах.
О ц е н к а степени распада радиоактивных элементов используется
для определения возраста подземных вод ( Т , С и др.). Радиоуг­
леродный (по С ) метод позволяет определить возраст воды в д и а ­
пазоне от 30 тыс. лет и, как уже говорилось, д о 50 лет. О д н а к о ,
поскольку С датирует возраст растворенных с о е д и н е н и й , содер­
жащих углерод (соли, газы, органические вещества), которые могут
иметь о т л и ч н у ю от с а м о й воды геологическую и с т о р и ю , резуль­
тативность его недостаточна. Кроме указанных в перспективе для
определения возраста воды в о з м о ж н о и с п о л ь з о в а н и е S i (период
полураспада д о 3000 л е т ) , С 1 — д о 1,5 млн лет.
Гидрогеохимия и з о т о п о в в последнее время и н т е н с и в н о р а з в и ­
вается. Рассматриваются в о з м о ж н о с т и п р и м е н е н и я для гидрогео­
л о г и ч е с к и х целей таких изотопов, как В е , В е , N a , C r и др.
Органические
вещества.
Природное водорастворенное органи­
ческое вещество (ВРОВ) подземных вод представлено к о м п л е к с о м
р а з н о о б р а з н ы х с о е д и н е н и й . Это р а з л и ч н ы е углеводороды, в том
числе ароматические, с м о л ы , масла, с л о ж н ы е э ф и р ы . кетоны, а м и ­
н ы , гумусовые вещества, ф е н о л ы , к а р б о н о в ы е к и с л о т ы , а также
углеводы, б е л к и , л и п и д ы и д р . Весовое к о л и ч е с т в о р а з н о о б р а з ­
н е й ш и х по составу, с т р о е н и ю и размерам молекул В Р О В , с о д е р ­
ж а щ и х с я в п о д з е м н ы х водах, о б ы ч н о х а р а к т е р и з у ю т в е л и ч и н о й
с о д е р ж а н и я их о с н о в н о г о элемента — С .
Косвенной характеристикой содержания ВРОВ в подземных
водах я в л я е т с я в е л и ч и н а о к и с л я е м о е ™ , под к о т о р о й п о н и м а ю т
содержание ВРОВ, способных окисляться кислородом. О н а выра­
жается м и л л и г р а м м а м и кислорода в 1 д м и характеризуется назва­
нием реагента-окислителя: бихроматная, перманганатная и др.
Наиболее п о л н о е о к и с л е н и е В Р О В достигается с и л ь н ы м о к и с л и ­
телем — бихроматом калия в с е р н о к и с л о й среде и характеризует
такой показатель, как х и м и ч е с к о е потребление кислорода ( Х П К ) .
25—50% от суммы В Р О В составляет так н а з ы в а е м а я " п е р м а н г а ­
натная" окисляемость, проще определяемая аналитически и по­
этому чаще п р и м е н я е м а я при массовом г и д р о г е о х и м и ч е с к о м о п ­
робовании.
Соотношение различных органических веществ в подземных
водах и их количество зависят от их генезиса и условий залегания.
Максимальное абсолютное содержание органических веществ
(С
д о 400 м г / д м и более) наблюдается в п о д з е м н ы х водах н е ф ­
тяных и о с о б е н н о г а з о к о н д е н с а т н ы х (более 3000 м г / д м ) место3
| 4
| 4
| 4
3 2
36
7
|(,
2 2
3 l
3
3
3
http://geoschool.web.ru
Глава 4. Ф и з и ч е с к и е с в о й с т в а и х и м и ч е с к и й с о с т а в п о д з е м н ы х вод
95
р о ж д е н и й , причем о н и представлены п р е и м у щ е с т в е н н о н и з к о м о ­
лекулярными ж и р н ы м и кислотами (уксусной, муравьиной, мас­
л я н о й и др.). Для б о л ь ш и н с т в а же п о д з е м н ы х вод, не с в я з а н н ы х с
нефтяными месторождениями, характерны низкие абсолютные
с о д е р ж а н и я С . — е д и н и ц ы и первые д е с я т к и м и л л и г р а м м о в в
1 д м . В грунтовых водах преобладают гумусовые вещества, с м о л ы ,
н и з к о м о л е к у л я р н ы е ж и р н ы е к и с л о т ы . С о д е р ж а н и е их в среднем
о к о л о 35 м г / д м для гумидных областей и 25 м г / д м для аридных.
Р а з н о о б р а з и е В Р О В о б у с л о в л е н о как с о с т а в о м о р г а н и ч е с к и х
веществ, п о с т у п а ю щ и х из пород в воду без к а к и х - л и б о п р е о б р а ­
з о в а н и й , так и м н о ж е с т в о м р а з н о о б р а з н ы х г и д р о г с о х и м и ч е с к и х
и гилробиохимических процессов в системе подземная вода—водов м е щ а ю щ а я порода. О с н о в н ы е процессы т р а н с ф о р м а ц и и состава
В Р О В с в я з а н ы прежде всего с его о к и с л е н и е м г е т е р о т р о ф н ы м и
(т.е. н у ж д а ю щ и м и с я в о р г а н и ч е с к о м веществе для своей ж и з н е д е ­
ятельности) м и к р о о р г а н и з м а м и п о д з е м н ы х вод, а в зоне высоких
давлений и температур — с п р о ц е с с а м и его х и м и ч е с к о г о о к и с л е ­
ния э л е м е н т а м и с п е р е м е н н о й валентностью.
Газы. Подземные воды всегда содержат те или иные газы в раст­
в о р е н н о м с о с т о я н и и . П р и и з м е н е н и и т е р м о б а р и ч е с к и х условий
р а с т в о р е н н ы й газ может выделиться в с в о б о д н о й ф о р м е , т.е. вода
становится д в у х ф а з н о й с и с т е м о й . В этих случаях говорят о воде,
содержащей кроме растворенного свободный газ. П р и м е р о м может
служить " в с к и п а н и е " воды при о т к а ч к е или с а м о и з л и в с газосод е р ж а щ е й м и н е р а л ь н о й воды, о б у с л о в л е н н о е переходом р а с т в о ­
ренного газа в свободное состояние в связи с резким у м е н ь ш е н и е м
давления при подъеме воды с глубины на поверхность.
С в о б о д н ы й (или с п о н т а н н ы й ) газ выделяется в виде п у з ы р ь ­
ков р а з л и ч н о й в е л и ч и н ы , если о б щ е е д а в л е н и е р а с т в о р е н н ы х в
д а н н о й воде газов п р е в ы ш а е т пластовое д а в л е н и е . К о л и ч е с т в е н ­
ной характеристикой с о о т н о ш е н и я с п о н т а н н о г о и р а с т в о р е н н о г о
газа при д а н н ы х д а в л е н и и и температуре является его р а с т в о р и ­
мость или п о г л о щ а е м о с т ь . Д л я с р а в н е н и я и расчета смесей газов
используют к о э ф ф и ц и е н т р а с т в о р и м о с т и а, р а в н ы й объему газа,
поглощаемому а д е к в а т н ы м о б ъ е м о м ж и д к о с т и при Г=0°С и д а в ­
л е н и и 0,1 М П а . З н а ч е н и я р а с т в о р и м о с т и о с н о в н ы х газов п о д з е м ­
ных вод п р и в е д е н ы в табл. 4.5. О н и п о к а з ы в а ю т , что н а и м е н е е
р а с т в о р и м ы м и являются гелий, н е о н , водород, а наиболее — уг­
л е к и с л о т а и с е р о в о д о р о д . Р а с т в о р и м о с т ь газов до т е м п е р а т у р ы
80—90°С уменьшается, а затем начинает снова возрастать. При 0°С
в о д н о м объеме воды может растворяться до 4,6 объема с е р о в о д о ­
рода, но при температурах, свойственных, например, нефтяным или
м и н е р а л ь н ы м водам, — уже в 3—5 раз м е н ь ш е .
3
3
3
http://geoschool.web.ru
Часть I. П о д з е м н ы е воды как э л е м е н т г и д р о с ф е р ы З е м л и
96
Таблица 4.5
Р а с т в о р и м о с т ь газов в д и с т и л л и р о в а н н о й воде
в зависимости от температуры (дм /дм )
3
2
°2
сн
0,0094
0.0235
0,0489
10
0,0091
0,0186
20
0,0088
0.0080
1. °с
Не - 10'
0
30
3
Rn
со
0,0556
0,510
1,713
4,650
0.0380
0.0418
0.350
1,194
3,399
0.0155
0.0310
0,0331
0,255
0,878
2.582
0,0109
0.0209
0.0213
0.140
0,423
1,410
N
4
2
H,S
О ч е н ь б о л ь ш о е в л и я н и е на р а с т в о р и м о с т ь газов о к а з ы в а е т д а в ­
л е н и е . Между э т и м и в е л и ч и н а м и , по з а к о н у Г е н р и , существует
п р я м о п р о п о р ц и о н а л ь н а я зависимость. Р а с т в о р и м о с т ь газов з н а ­
ч и т е л ь н о с н и ж а е т с я с ростом м и н е р а л и з а ц и и .
Интегральное воздействие перечисленных ф а к т о р о в определяет
состав и количество газов в гидрогеологическом разрезе. В зоне
и н т е н с и в н о г о в о д о о б м е н а преобладают азот и к и с л о р о д при сум­
м а р н о м с о д е р ж а н и и от 0,015 д о 0,1 д м / д м , глубже к и с л о р о д и с ­
чезает, а в водах п о м и м о азота п о я в л я ю т с я с е р о в о д о р о д и угле­
кислота. В самых глубоких частях разреза а р т е з и а н с к и х б а с с е й н о в
преобладают метан и тяжелые углеводороды. Эта схема не является
в с е о б ъ е м л ю щ е й . Иногда б и о г е н н ы й сероводород может в з н а ч и ­
тельных количествах присутствовать в грунтовых водах. В области
генерации метаморфогенной углекислоты, например в районе
К а в к а з с к и х М и н е р а л ь н ы х Вод, о н а вместе с р а з г р у ж а ю щ и м и с я
п о д з е м н ы м и водами " п р о н и з ы в а е т " весь разрез, а в З а п а д н о - С и ­
б и р с к о м а р т е з и а н с к о м б а с с е й н е е ю н а с ы щ е н ы воды, з а л е г а ю щ и е
н е п о с р е д с т в е н н о на ф у н д а м е н т е .
К и с л о р о д в количестве 0,2 д м / д м обнаружен в рассолах П р и пятского б а с с е й н а на глубине н е с к о л ь к и х тысяч метров. П о г и п о ­
тезе И . Ф . Вовка, его генезис здесь связан с п р о ц е с с а м и радиолиза
воды. Радон является " а з о н а л ь н ы м " газом как в п л а н е , т а к и в
разрезе. К а к п р а в и л о , р а с п р о с т р а н е н и е его в водах определяется
п о л о ж е н и е м в разрезе к и с л ы х и з в е р ж е н н ы х п о р о д , п о э т о м у о н
встречается к а к в грунтовых, т а к и в глубоких водах.
З н а ч е н и е газов в гидрогеохимии ч р е з в ы ч а й н о велико. Я в л я я с ь
прекрасными мигрантами, способными к активной диффузии,
д и ф ф е р е н ц и а ц и и п о весу и " в с п л ы в а н и ю " , о н и в ряде случаев
могут п о л н о с т ь ю о п р е д е л я т ь г и д р о г е о х и м и ч е с к и е у с л о в и я . Т а к ,
с и с т е м ы кислорода и сероводорода я в л я ю т с я п о т е н ц и а л з а д а ю щ и ми и обусловливают соответственно окислительную или восстано­
вительную о б с т а н о в к у в в о д о н о с н о м пласте. Углекислота и с е р о 3
3
3
http://geoschool.web.ru
3
Глава 4. Ф и з и ч е с к и е с в о й с т в а и х и м и ч е с к и й с о с т а в п о д з е м н ы х вод
97
водород являются к о м п о н е н т а м и важнейших для химического
состава п о д з е м н ы х вод систем равновесия: к а р б о н а т н о г о и суль­
фатного.
Аргон п р и м е н я ю т для о п р е д е л е н и я возраста вод и пород. Ге­
л и й — и н е р т н ы й газ, о б л а д а ю щ и й п р е к р а с н ы м и д и ф ф у з и о н н ы м и
свойствами и не о б р а з у ю щ и й в з е м н о й коре с а м о с т о я т е л ь н ы х га­
зовых с к о п л е н и й , ш и р о к о используется в качестве индикатора зон
тектонических н а р у ш е н и й . Сероводород, углекислота, радон пред­
ставляют собой а к т и в н ы е лечебные вещества — о с н о в н ы е бальнео­
логические к о м п о н е н т ы соответствующих типов м и н е р а л ь н ы х вод.
Живое вещество подземных вод. Огромная роль живого вещества
как геологической силы и необходимость изучения состава т р о п о - ,
л и т о - и г и д р о с ф е р ы З е м л и с о в м е с т н о с " п р о н и к а ю щ и м " их ж и ­
вым веществом впервые б ы л и о п р е д е л е н ы В.И. В е р н а д с к и м в ра­
боте « П р о б л е м ы б и о г е о х и м и и » .
Ж и в о е вещество подземных вод представлено п р е и м у щ е с т в е н н о
микроорганизмами животного и растительного происхождения раз­
мером о б ы ч н о не более 1 м к м , среди которых преобладают бакте­
рии. Б а к т е р и я , как п р а в и л о , состоит из о д н о й клетки с твердой
оболочкой и имеет более или менее постоянную форму: с ф е р и ч е ­
скую, палочковидную, извитую. Клетка на 75—85% состоит из воды.
Среди бактерий есть аэробные виды, которые могут существовать
и развиваться т о л ь к о в присутствии кислорода, и а н а э р о б н ы е —
р а з в и в а ю щ и е с я в б е с к и с л о р о д н о й среде. Существуют виды, с п о ­
собные развиваться при о г р а н и ч е н н о м доступе кислорода, так на­
зываемые факультативные анаэробы.
П о с п о с о б у п о л у ч е н и я э н е р г и и для о с у щ е с т в л е н и я о б м е н а
веществ все м и к р о о р г а н и з м ы делятся на две крупные группы: ф о тотрофы, и с п о л ь з у ю щ и е э н е р г и ю солнечной радиации, и хемотроф ы , и с т о ч н и к о м э н е р г и и для к о т о р ы х служат р а з л и ч н ы е х и м и ­
ческие с о е д и н е н и я . М и к р о о р г а н и з м ы горных п о р о д и почв, так
называемые литотрофные, в подавляющем большинстве являются
хемотрофами.
П о типу и с т о ч н и к а п и т а н и я выделяют г е т е р о т р о ф ы , н у ж д а ю ­
щиеся в готовых органических веществах, и автотрофы, с п о с о б н ы е
усваивать н е п о с р е д с т в е н н о из м и н е р а л ь н ы х в е щ е с т в углерод (из
С О , ) , водород (из воды), H S , N H и др. Существуют также б а к ­
терии со с м е ш а н н ы м т и п о м п и т а н и я .
Среди бактерий есть как п о д в и ж н ы е , так и п р и к р е п л я ю щ и е с я
к субстрату ф о р м ы . Перемещение бактерий чаще всего осуществля­
ется с п о м о щ ь ю жгутиков, р а с п о л о ж е н н ы х п о л я р н о или в различ7
3
http://geoschool.web.ru
98
Часть I. П о д з е м н ы е воды как э л е м е н т г и д р о с ф е р ы З е м л и
ных частях клетки, а также (очень редко) п о л з а н и е м . Р а з м н о ж а ­
ются бактерии о б ы ч н о путем д е л е н и я . Н е к о т о р ы е из бактерий в
н е б л а г о п р и я т н ы х условиях с п о с о б н ы о б р а з о в ы в а т ь с п о р ы — п о ­
к о я щ и е с я ф о р м ы клеток с с и л ь н о з а т о р м о ж е н н ы м и п р о ц е с с а м и
жизнедеятельности.
В и з у ч е н и и м и к р о ф л о р ы п о д з е м н ы х вод существуют два и с ­
т о р и ч е с к и с л о ж и в ш и х с я н а п р а в л е н и я , р а з л и ч н ы х п о задачам и
с о д е р ж а н и ю и с с л е д о в а н и й : 1) и с с л е д о в а н и е е с т е с т в е н н о й л и т о т р о ф н о й м и к р о ф л о р ы ; 2) с а н и т а р н а я о ц е н к а воды, используемой
для питьевого и х о з я й с т в е н н о г о в о д о с н а б ж е н и я .
Л и т о т р о ф н а я м и к р о ф л о р а в п о д з е м н ы х водах исследуется с
целью получения о б щ е г о спектра м и к р о о р г а н и з м о в для прогноза
возможных биохимических процессов, а также — по соответствую­
щим конкретным видам бактерий — в связи с поисками нефтяных,
газовых и рудных м е с т о р о ж д е н и й .
М и к р о о р г а н и з м ы различаются п о с п о с о б н о с т и существовать и
развиваться в различных температурных условиях. Жизнедеятельная
микрофлора обнаружена даже в криопэгах — переохлажденных
рассолах Якутского артезианского бассейна, и м е ю щ и х отрицатель­
ную температуру. Есть сведения о наличии бактерий в перегретых
водах. Д л я каждого вида бактерий существует интервал температур,
в пределах которого этот род может существовать. П р и к р а й н и х
з н а ч е н и я х температур бактерии существуют в угнетенном с о с т о я ­
н и и , а н а и б о л ь ш а я а к т и в н о с т ь их и р а з м н о ж е н и е наблюдаются в
пределах о п р е д е л е н н о г о т е м п е р а т у р н о г о о п т и м у м а в ц е н т р а л ь н о й
части интервала.
Наиболее распространенными и важными в гидрогеохимиче­
ском о т н о ш е н и и группами л и т о т р о ф н ы х м и к р о о р г а н и з м о в я в л я ­
ются: о к и с л я ю щ и е с о е д и н е н и я с е р ы ( т и о н о в ы е , с е р о б а к т е р и и ) ,
восстанавливающие соединения серы (сульфатредуцирующие),
метанобразующие и углеводородокисляющие, нитрифицирующие
и денитрифицирующие, железобактерии.
Санитарная о ц е н к а и контроль качества питьевых вод на н а л и ­
чие б о л е з н е т в о р н ы х бактерий п р о и з в о д я т с я с а н и т а р н о - э п и д е м и о ­
логическими станциями. Наиболее распространенным и легко
о п р е д е л я е м ы м показателем б а к т е р и а л ь н о г о з а г р я з н е н и я питьевой
воды является Escherihia coli — к и ш е ч н а я палочка, которая часто
сопутствует р а з л и ч н ы м п а т о г е н н ы м м и к р о о р г а н и з м а м . С т е п е н ь
з а р а ж е н н о с т и е ю воды о ц е н и в а е т с я с п е ц и а л ь н ы м и п о к а з а т е л я м и .
Это т а к н а з ы в а е м ы й колититр — объем воды в мл, к о т о р ы й п р и ­
ходится на одну к и ш е ч н у ю палочку, и к о л и и н д е к с — количество
к и ш е ч н ы х палочек в 1 д м воды. П о ГОСТу 2874—82, о п р е д е л я ю 3
http://geoschool.web.ru
Глава 4. Ф и з и ч е с к и е с в о й с т в а и х и м и ч е с к и й с о с т а в п о д з е м н ы х вод
99
шему в том числе и санитарное состояние питьевой воды, послед­
няя должна иметь колититр не менее 300 и колииндекс не более 3.
П р и в о з н и к н о в е н и и э п и д е м и ч е с к и х очагов с а н и т а р н о - э п и д е м и о ­
л о г и ч е с к и е с т а н ц и и п р о в о д я т а н а л и з п и т ь е в ы х вод на н а л и ч и е
возбудителей с о о т в е т с т в у ю щ и х з а б о л е в а н и й : с а л ь м о н е л л е з а , х о ­
леры и др.
М е т о д и к а б а к т е р и о л о г и ч е с к о г о а н а л и з а воды для о ц е н к и ее
санитарного состояния также определена соответствующими
Г О С Т а м и . О б ы ч н о п р и м е н я ю т с я методы п р я м о г о счета бактерий
на м е м б р а н н ы х фильтрах. П р и исследовании м и к р о ф л о р ы отбор
проб производят в с т е р и л ь н у ю посуду.
4.4. Факторы и процессы формирования
химического состава подземных вод
Х и м и ч е с к и й состав подземных вод в каждой точке з е м н о й коры
представляет собой результат сложного взаимодействия к о м п о н е н ­
тов вещественного состава д а н н о й гидрогеологической системы в
к а ж д ы й к о н к р е т н ы й м о м е н т ее с у щ е с т в о в а н и я в е с т е с т в е н н о м
или н а р у ш е н н о м с о с т о я н и и .
При исследовании условий ф о р м и р о в а н и я химического состава
подземных вод следует различать к о н к р е т н ы е виды в з а и м о д е й с т ­
вия к о м п о н е н т о в в е щ е с т в е н н о г о состава с и с т е м ы ( п р о ц е с с ы ) и
п р и ч и н ы (силы, поля, я в л е н и я и др.), их в ы з ы в а ю щ и е , — так на­
з ы в а е м ы е ф а к т о р ы . Г и д р о г е о х и м и ч е с к и й п р о ц е с с — это о п р е д е ­
л е н н ы й вид ф и з и к о - х и м и ч е с к о г о или иного в з а и м о д е й с т в и я к о м ­
п о н е н т о в в е щ е с т в е н н о г о состава п о д з е м н ы х вод между с о б о й и
(или) с о к р у ж а ю щ е й средой, результатом которого является и з м е ­
нение их х и м и ч е с к о г о состава и (или) свойств.
Ф а к т о р ф о р м и р о в а н и я х и м и ч е с к о г о состава п о д з е м н ы х вод —
это естественная или искусственная причина (сила, поле, явление,
вещество и др.), определяющая возникновение, существование
или и з м е н е н и е тех или и н ы х г и д р о г е о х и м и ч е с к и х п р о ц е с с о в в
д а н н о й гидрогеологической системе.
Х и м и ч е с к и й состав п о д з е м н ы х вод под в л и я н и е м к о м п л е к с а
постоянно действующих в д а н н о й гидрогеологической системе ф а к ­
торов и вызываемых ими процессов о б ы ч н о находится в состоянии
динамического физико-химического равновесия с окружающей
средой. Н а р у ш е н и е этого р а в н о в е с и я вызывается н а л о ж е н и е м ка­
ких-либо в р е м е н н о действующих ф а к т о р о в , и з м е н я ю щ и х характер
уже существующих п р о ц е с с о в или о п р е д е л я ю щ и х в о з н и к н о в е н и е
новых.
http://geoschool.web.ru
100
Часть I. П о д з е м н ы е воды как э л е м е н т г и д р о с ф е р ы Земли
Например, стационарный процесс растворения загипсованных известняков в
зоне интенсивного водообмена в гумидных условиях обусловливает формирова­
ние сульфатно-гидрокарбонатных (НСО, 55%, S 0 30%) грунтовых вод с минера­
лизацией в зависимости от времени года от 0,35 до 0.55 г/л. Выпадение ливневого
дождя, обильное снеготаяние, паводок с питанием грунтовых вод речными (вре­
менные факторы) за счет разбавления снижают минерализацию до 0,2—0,28 г/л,
а в случае смешения с речными водами в паводок изменяют состав на преиму­
щественно гидрокарбонатный (НСО, до 85%).
4
Ч и с л о ф а к т о р о в , о п р е д е л я ю щ и х х и м и ч е с к и й состав п о д з е м н ы х
вод, ч р е з в ы ч а й н о велико. Среди них выделяют с л е д у ю щ и е груп­
пы: I) ф и з и к о - х и м и ч е с к и е — свойства воды в р а з л и ч н ы х ф а з о в ы х
состояниях, водных растворов, химических элементов и соединений
и т.д.; 2) ф и з и ч е с к и е — температура, д а в л е н и е , р а д и о а к т и в н о с т ь ,
м а г н е т и з м , гравитация и др.; 3) ф и з и к о - г е о г р а ф и ч е с к и е — к л и ­
мат, о с о б е н н о осадки и и с п а р е н и е , р е л ь е ф , гидрология, условия
д р е н и р о в а н и я и т.д.; 4) геолого-гидрогеологические — т е к т о н и к а ,
магматизм и м е т а м о р ф и з м , ф а ц и а л ь н о е строение разреза, м и н е ­
ралогический состав пород, фильтрационные свойства пород,
г и д р о д и н а м и ч е с к и е условия, палеогидрогеология и др.; 5) б и о л о ­
гические — м и к р о ф л о р а и м и к р о ф а у н а ; 6) а н т р о п о г е н н ы е .
К о м п л е к с о с н о в н ы х ф а к т о р о в и п р о ц е с с о в , х а р а к т е р н ы х для
рассматриваемой гидрогеологической системы и определяющих
ее гидрогеохимические характеристики и з а к о н о м е р н о с т и их и з ­
м е н е н и й , п р и н я т о называть условиями формирования
химического
состава п о д з е м н ы х вод.
В настоящее время относительно глубоко исследована роль
физико-географических, геолого-гидрогеологических, некоторых
физических (температура, давление) факторов в ф о р м и р о в а н и и
химического состава подземных вод в различных, в том числе глу­
б о к и х , частях г и д р о г е о л о г и ч е с к о г о разреза. За п о с л е д н е е время
м н о г о с д е л а н о в области и з у ч е н и я ф и з и к о - х и м и ч е с к и х с в о й с т в
воды и п р и р о д н ы х растворов, роли ж и в о г о вещества в п о д з е м н ы х
водах. О т н о с и т е л ь н о с л а б о и з у ч е н о в л и я н и е ф и з и ч е с к и х п о л е й
Земли ( э л е к т р и ч е с к о г о , г р а в и т а ц и о н н о г о , м а г н и т н о г о ) .
П р и г и д р о г е о х и м и ч е с к и х и с с л е д о в а н и я х и с х о д я из а н а л и з а
результатов в л и я н и я р а з л и ч н ы х ф а к т о р о в и п р о ц е с с о в на х и м и ­
ч е с к и й с о с т а в п о д з е м н ы х вод и з н а ч и м о с т и их в о з д е й с т в и я на
него в а ж н о о п р е д е л и т ь с р е д и н и х г л а в н ы е и в т о р о с т е п е н н ы е ,
п р я м ы е и к о с в е н н ы е , д е й с т в у ю щ и е п о с т о я н н о или в р е м е н н о , р е ­
г и о н а л ь н о или л о к а л ь н о . Это является н е о б х о д и м о й о с н о в о й для
р е ш е н и я в о п р о с о в г е н е з и с а п о д з е м н ы х вод, в ы я в л е н и я р е г и о ­
нальных гидрогеохимических закономерностей, решения при­
кладных гидрогеохимических задач и др.
http://geoschool.web.ru
Глава 4. Ф и з и ч е с к и е с в о й с т в а и х и м и ч е с к и й с о с т а в п о д з е м н ы х вод
101
Влияние различных ф а к т о р о в на химический состав п о д з е м н ы х
вод выражается в в о з н и к н о в е н и и (или н а л и ч и и и п о с л е д у ю щ е м
и з м е н е н и и ) разнообразного, н о в целом достаточно о г р а н и ч е н н о г о
круга одних и тех же г и д р о г е о х и м и ч е с к и х п р о ц е с с о в ( р а с т в о р е н и е
и в ы щ е л а ч и в а н и е , гидролиз, с о р б ц и я , д и ф ф у з и я , и о н н ы й о б м е н ,
о с а ж д е н и е и к р и с т а л л и з а ц и я и др.). Характер этих п р о ц е с с о в , их
н а п р а в л е н н о с т ь и и н т е н с и в н о с т ь зависят от к о н к р е т н ы х о с о б е н ­
ностей каждой гидрогеологической с и с т е м ы .
Выделяют две о с н о в н ы е группы п р о ц е с с о в ф о р м и р о в а н и я х и ­
м и ч е с к о г о состава п о д з е м н ы х вод: г и д р о г е о х и м и ч е с к и е и г и д р о ­
б и о х и м и ч е с к и е — с участием ж и в о г о вещества.
Гидрогеохимические процессы
В комплексе гидрогеохимических процессов условно можно
выделить: I) п р о ц е с с ы о б м е н а веществом в о д о в м е щ а ю щ е й п о р о ­
д ы и о к р у ж а ю щ е й среды с раствором, в том числе п о в ы ш а ю щ и е
(растворение и в ы щ е л а ч и в а н и е , д е с о р б ц и я , г и д р о л и з , к о м п л е к с о о б р а з о в а н и е и др.) и п о н и ж а ю щ и е ( о с а ж д е н и е и к р и с т а л л и з а ц и я ,
высаливание, сорбция и др.) минерализацию подземных вод;
2) п р о ц е с с ы к а ч е с т в е н н о г о и к о л и ч е с т в е н н о г о п е р е р а с п р е д е л е н и я
вещества в самих п р и р о д н ы х растворах ( к о н в е к т и в н ы й и д и ф ф у ­
з и о н н ы й м а с с о п е р е н о с ) . Следует четко представлять себе с о п р я ­
ж е н н о с т ь и взаимосвязь указанных процессов и в о з м о ж н о с т ь п е р е ­
хода одного в другой при д о с т и ж е н и и о п р е д е л е н н ы х х и м и ч е с к и х
или ф и з и к о - х и м и ч е с к и х к о н с т а н т ( п р о и з в е д е н и е р а с т в о р и м о с т и ,
величина о б м е н н о й е м к о с т и и др.).
Растворение и выщелачивание.
Растворение в г и д р о г е о х и м и и —
п р о ц е с с перевода в п о д з е м н ы е воды из о к р у ж а ю щ е й среды (гор­
ной породы) л ю б о г о ( м и н е р а л ь н о г о , о р г а н и ч е с к о г о , газов р а з л и ч ­
ного генезиса) вещества в и о н н о й или м о л е к у л я р н о й ф о р м е .
П р е д е л ь н о в о з м о ж н а я к о н ц е н т р а ц и я вещества в растворе п р и
нулевой р а з н о с т и х и м и ч е с к и х п о т е н ц и а л о в соответствует н а с ы ­
щ е н и ю его п р и д а н н ы х условиях. Эта в е л и ч и н а называется раст­
воримостью
(для т р у д н о р а с т в о р и м ы х в е щ е с т в — п р о и з в е д е н и е м
р а с т в о р и м о с т и ) и з а в и с и т к р о м е п р и р о д ы вещества от т е м п е р а т у ­
р ы , д а в л е н и я ( с л а б о ) и с о с т а в а р а с т в о р а . Н а п р и м е р , п р и 10°С
(близкую температуру и м е ю т грунтовые воды с р е д н е й п о л о с ы ) и
а т м о с ф е р н о м д а в л е н и и в 100 г воды растворяется 35,86 г N a C l ,
0,007 С а С 0 , 1,194 г С 0 (Лурье, 1971). П р и т е м п е р а т у р е 8,5°С
в 100 г воды растворяется 0,193 г C a S 0 - 2 H 0 , а в н а с ы щ е н н о м
растворе N a C l — уже 0,678 г.
3
2
4
http://geoschool.web.ru
2
Часть I. П о д з е м н ы е воды как элемент г и д р о с ф е р ы З е м л и
102
С к о р о с т ь р а с т в о р е н и и з а в и с и т от п р и р о д ы и м и н е р а л ь н о й
ф о р м ы вещества, д а в л е н и я , т е м п е р а т у р ы , степени д и с п е р с н о с т и ,
состава раствора и др. О д н а к о определяется о н а с к о р о с т ь ю самой
м е д л е н н о й для д а н н ы х условий р е а к ц и и — так н а з ы в а е м о й л и м и ­
т и р у ю щ е й с к о р о с т ь ю . Ч а щ е , говоря о р а с т в о р е н и и , и м е ю т в виду
процесс перевода в раствор твердого вещества горных пород.
В этом случае р а з л и ч а ю т растворение — п о л н о е р а з р у ш е н и е к р и с ­
т а л л и ч е с к о й или а м о р ф н о й структуры м и н е р а л о в и
выщелачива­
ние — комплекс процессов, п р и в о д я щ и х к избирательному выводу
из породы к а к о г о - л и б о , о б ы ч н о наиболее р а с т в о р и м о г о в д а н н ы х
условиях, компонента. Например, при определенных условиях
могут быть полностью растворены горные породы, состоящие из та­
ких простых солей, как N a C l , K C I , N a S 0 , N a C 0 , C a S 0 - 2 H , 0 ,
C a C 0 и др. В то же время горные п о р о д ы , с о д е р ж а щ и е эти соли
в качестве п р и м е с е й , будут п о с т е п е н н о в ы щ е л а ч и в а т ь с я п о д з е м ­
н ы м и водами. На первых этапах п р о м ы в а н и я горной породы из
нее будут в ы н о с и т ь с я наиболее р а с т в о р и м ы е с о е д и н е н и я — хло­
риды щ е л о ч н ы х и щ е л о ч н о - з е м е л ь н ы х металлов, затем сульфаты
и в последнюю очередь наименее растворимые — карбонаты и
силикаты. При наличии факторов, стимулирующих растворение,
т р у д н о р а с т в о р и м ы е к о м п о н е н т ы могут в ы щ е л а ч и в а т ь с я наряду с
л е г к о р а с т в о р и м ы м и . Н а п р и м е р , поступление С 0 ( т е р м о м е т а м о р ­
ф и ч е с к о г о , б и о х и м и ч е с к о г о или и н о г о г е н е з и с а ) с п о с о б с т в у е т
р а с т в о р е н и ю кальцита в морских к а р б о н а т н ы х породах наряду с
сульфатами и хлоридами. В з а в и с и м о с т и от степени п р о м ы т о с т и
пород в этом случае могут ф о р м и р о в а т ь с я воды H C 0 — S 0 — О ,
H C 0 — S 0 , S 0 — Н С О , , Н С 0 состава (таковы, н а п р и м е р , к и с ловодские, железноводские, пятигорские нарзаны). В подобных
случаях, когда известен реагент, у с и л и в а ю щ и й п р о ц е с с , говорят
об у г л е к и с л о т н о м , с е р н о к и с л о т н о м в ы щ е л а ч и в а н и и и др.
7
4
7
3
4
3
7
3
3
4
4
4
3
К о м п о н е н т ы состава п о д з е м н ы х вод присутствуют в растворе
как в виде простых частиц (ионов, молекул), так и в виде ассоциа­
тов или к о м п л е к с н ы х с о е д и н е н и й различной степени сложности.
Н а п р и м е р , в воде, с о д е р ж а щ е й сульфаты и карбонаты к а л ь ц и я и
м а г н и я , к р о м е С а , M g , H C 0 , С О , S O будут присутствовать
2 +
2 +
2 -
2 -
3
1
С а С О ^ , MgCO'], C a H C O t , M g H C O ; , CaSO^ , MgS0 >. О с о б е н н о су­
щ е с т в е н н о е з н а ч е н и е для х и м и ч е с к о г о с о с т а в а п о д з е м н ы х вод
и м е ю т к о м п л е к с ы Fe и AI, ряда металлов — м и к р о к о м п о н е н т о в ,
ф о с ф а т о в , F~ и др.
Комплексообразование
стимулирует процесс растворения, по­
скольку в присутствии анионов и катионов, комплексующихся
4
http://geoschool.web.ru
Глава 4. Ф и з и ч е с к и е с в о й с т в а и х и м и ч е с к и й с о с т а в п о д з е м н ы х вод
103
с к о м п о н е н т а м и р а с т в о р я е м о г о вещества, р а с т в о р и м о с т ь и с к о ­
рость р а с т в о р е н и я последнего увеличиваются.
В ы д е л е н и е в е щ е с т в из п р и р о д н ы х р а с т в о р о в в т в е р д у ю ф а з у
п р и в о д и т к с н и ж е н и ю их к о н ц е н т р а ц и и в растворе, и з м е н е н и ю
его состава и является п р и ч и н о й у м е н ь ш е н и я п о р о в о г о п р о с т р а н ­
ства г о р н ы х п о р о д . П р и р о д а я в л е н и й , в ы з ы в а ю щ и х в ы д е л е н и е
твердой ф а з ы , может быть различна. Это прежде всего к о н ц е н т р и ­
р о в а н и е п р и р о д н ы х растворов (вплоть д о с о с т о я н и я н а с ы щ е н и я )
за счет д о п о л н и т е л ь н о г о п о с т у п л е н и я в е щ е с т в а и л и в ы в о д а из
с и с т е м ы растворителя — воды, а т а к ж е н е с о в м е с т и м о с т ь состава
с м е ш и в а ю щ и х с я п р и р о д н ы х растворов.
Результаты к о н ц е н т р и р о в а н и я за счет п о с т у п л е н и я в е щ е с т в а
наиболее я р к о п р о я в л я ю т с я в растворах, с о д е р ж а щ и х о т н о с и т е л ь ­
но с л а б о р а с т в о р и м ы е с о е д и н е н и я — к а р б о н а т ы к а л ь ц и я и м а г ­
ния, сульфаты кальция, концентрация насыщения которыми
п р и р о д н ы х вод м о ж е т б ы т ь достигнута д о в о л ь н о б ы с т р о в п р о ­
цессе в з а и м о д е й с т в и я воды и соответствующей п о р о д ы ( и з в е с т н я ­
ка, д о л о м и т а , гипса, а н г и д р и т а ) . О д н а к о , как уже г о в о р и л о с ь , в
условиях с т и м у л я ц и и р а с т в о р е н и я за счет к о м п л е к с о о б р а з о в а н и я ,
п о с т у п л е н и я газов ( н а п р и м е р , С 0 б и о х и м и ч е с к о г о и л и и н о г о
генезиса), а также при и з м е н е н и и температуры и д а в л е н и я раство­
р и м о с т ь р а з л и ч н ы х с о е д и н е н и й с у щ е с т в е н н о м е н я е т с я и не с о ­
ответствует т а к о в о й в д и с т и л л и р о в а н н о й воде. С о о т в е т с т в е н н о
и з м е н я ю т с я и в е л и ч и н ы к о н ц е н т р а ц и й веществ, при к о т о р ы х н а ­
чинается их к р и с т а л л и з а ц и я .
Б о л ь ш а я группа п р о ц е с с о в в ы в е д е н и я вещества из п р и р о д н ы х
растворов в твердую фазу связана с к о н ц е н т р и р о в а н и е м и п е р е н а ­
с ы щ е н и е м растворов при удалении " р а с т в о р и т е л я " , т.е. молекул
воды. В природных условиях этот механизм может быть различен:
и с п а р е н и е , в ы м о р а ж и в а н и е , гидролиз и др.
Испарение — один из в а ж н е й ш и х процессов ф о р м и р о в а н и я х и ­
мического состава грунтовых вод в а р и д н ы х областях, где о н о в ы ­
зывает к о н т и н е н т а л ь н о е засоление. Гидрогеохимические следствия
испарительных процессов определяются составом исходной воды.
По модели Харди—Эгстера, которая основана на к о н ц е п ц и и х и м и ­
ческого разделения, предполагается, что при о с а ж д е н и и из раство­
ра бинарной соли под влиянием испарения в растворе увеличивает­
ся содержание иона, присутствовавшего в нем изначально в более
высокой относительной концентрации, и снижается содержание
иона, присутствовавшего в о т н о с и т е л ь н о м е н ь ш е й к о н ц е н т р а ц и и .
Исходя из этого при и с п а р е н и и грунтовых вод, характеризующих­
ся с о о т н о ш е н и е м (ммоль) Н С О " + 2 С 0 " > 2 С а , по мере д о с т и 2
2
http://geoschool.web.ru
2+
104
Часть I. П о д з е м н ы е воды как э л е м е н т г и д р о с ф е р ы З е м л и
жения произведения растворимости и осаждения кальцита, а
также, возможно, сепиолита M g S i 0 ( O H ) и доломита, состав
раствора должен трансформироваться в щелочной, гидрокарбо­
н а т н ы й н а т р и е в ы й с более в ы с о к о й , чем исходная, м и н е р а л и з а ­
цией. Т а к и м образом образуются грунтовые воды содового состава.
Д а л ь н е й ш а я т р а н с ф о р м а ц и я состава происходит за счет выпадения
в осадок гипса. При этом если к о н ц е н т р а ц и я кальция, оставшегося
после осаждения кальцита, ниже, чем к о н ц е н т р а ц и я сульфат-иона,
в составе раствора будут преобладать сульфаты и хлориды натрия
и м а г н и я , если в ы ш е — рассол будет содержать хлориды н а т р и я ,
кальция и магния. Так формируются широко распространенные
гидрокарбонатно-сульфатные, сульфатно-хлоридные и хлоридные
натриевые и магниево-натриевые воды с минерализацией д о 10 г/л
и более. П р и с о о т н о ш е н и и Н С 0 + 2 С 0 < 2 С а
раствор после
осаждения кальцита трансформируется в почти нейтральный суль­
ф а т н ы й и х л о р и д н ы й более в ы с о к о й м и н е р а л и з а ц и и с последую­
щей е щ е б о л ь ш е й его к о н ц е н т р а ц и е й .
И н о й с т а д и й н о с т ь ю характеризуется п р о ц е с с и с п а р е н и я м о р ­
ских вод, так н а з ы в а е м ы й галогенез — ф о р м и р о в а н и е галогенных
о с а д к о в в п р о ц е с с е к о н ц е н т р и р о в а н и я р а с с о л о в под в л и я н и е м
испарения в открытых бассейнах. Несмотря на то что галогенез —
это п р о ц е с с , п р о и с х о д я щ и й на поверхности земли (в лагунах, с о ­
л е н ы х озерах, л и м а н а х и др.), он представляет п р и н ц и п и а л ь н ы й
интерес для гидрогеохимии, поскольку и м е н н о процессами палеогалогенеза и п о с л е д у ю щ е й м е т а м о р ф и з а ц и е й с б о л ь ш о й долей
в е р о я т н о с т и м о ж е т б ы т ь о б ъ я с н е н г е н е з и с состава г л у б о к о з а л е г а ю щ и х в ы с о к о м и н е р а л и з о в а н н ы х п о д з е м н ы х вод.
Галогенез характеризуется с т а д и й н о с т ь ю , которая о п р е д е л я е т ­
ся р а с т в о р и м о с т ь ю р а з л и ч н ы х с о е д и н е н и й . Н а п р и м е р , в процессе
к о н ц е н т р и р о в а н и я м о р с к о й воды при д о с т и ж е н и и о п р е д е л е н н ы х
в е л и ч и н ее м и н е р а л и з а ц и и п о с л е д о в а т е л ь н о в ы п а д а ю т в о с а д о к
к а р б о н а т ы , гипс, галит, э п с о м и т ( M g S 0 • 7 Н 0 ) , с и л ь в и н (КС1),
к а р н а л л и т (КС1 • M g C l , • 6 Н 0 ) , б и ш о ф и т ( M g C l • 6 Н 0 ) . П р и
этом остаточный раствор все более концентрируется за счет солей
с более в ы с о к о й р а с т в о р и м о с т ь ю . На последней (так н а з ы в а е м о й
эвтонической) стадии к о н ц е н т р и р о в а н и я морской воды рассол
имеет хлоридный магниевый состав и минерализацию более 440 г/л.
Криогенное концентрирование
( в ы м о р а ж и в а н и е ) — п р о ц е с с , ха­
р а к т е р н ы й для п о д з е м н ы х вод з о н ы развития мерзлоты, о с о б е н н о
в слое сезонного промерзания—протаивания. Менее заметны
п р о я в л е н и я его в н е м е р з л о т н ы х р а й о н а х при с е з о н н о м п р о м е р з а ­
н и и . С о с т а в с л а б о м и н е р а л и з о в а н н ы х г р у н т о в ы х вод т у н д р о в о й
3
6
2
2
2 +
3
4
2
http://geoschool.web.ru
2
2
2
Глава 4. Ф и з и ч е с к и е с в о й с т в а и х и м и ч е с к и й с о с т а в п о д з е м н ы х вод
105
и т а е ж н о й зон часто определяется с о д е р ж а н и е м з н а ч и т е л ь н ы х к о ­
л и ч е с т в (до 60—80 мг/л и более) H S i 0 в и с т и н н о р а с т в о р е н н о й
и ч а с т и ч н о к о л л о и д н о й ф о р м е . Генезис ее связан с п р о ц е с с а м и
в ы м о р а ж и в а н и я вод и п о р о д , к о т о р ы е с п о с о б с т в у ю т п е р е в о д у
чрезвычайно труднорастворимых кристаллических форм S i 0 в
более р а с т в о р и м у ю — а м о р ф н у ю . Поэтому, в ч а с т н о с т и , с о д е р ж а ­
ние H S i 0 в пробах, о т о б р а н н ы х в начале лета, в п е р и о д и н т е н ­
с и в н о г о т а я н и я , с у щ е с т в е н н о в ы ш е , чем в более п о з д н и х пробах.
С о в м е с т н о е воздействие п р о ц е с с о в и с п а р е н и я и в ы м о р а ж и в а н и я
на состав природных растворов м о ж н о наблюдать на поверхностях
м н о г о л е т н и х н а л е д е й , где с к а п л и в а е т с я б е л ы й , ж е л т о в а т ы й , с е ­
роватый п о р о ш к о о б р а з н ы й налет солей — н а и м е н е е р а с т в о р и м ы х
в п р и р о д н ы х водах д а н н о г о р е г и о н а с о е д и н е н и й ( S i 0 , С а С О ,
CaS0 -2H 0).
4
4
2
4
4
2
4
э
2
Кроме того, при криогенном концентрировании раствора вместе
с о б р а з о в а н и е м льда п р о и с х о д и т ф о р м и р о в а н и е твердой ф а з ы тех
соединений, произведение растворимости которых достигается
при д а н н о й температуре. И з пресных вод в ы п а д а ю т в о с а д о к с и ­
л и к а т ы и карбонаты к а л ь ц и я , затем м а г н и я , из с о л е н ы х — суль­
фаты кальция и натрия. Таким образом, в растворе начинают
преобладать гидрокарбонаты натрия (содовые подмерзлотные воды),
сульфаты и х л о р и д ы магния и натрия. К р о м е того, у с т а н о в л е н о ,
что талая вода обладает более высокой растворяющей активностью.
Высаливание — процесс выведения к о м п о н е н т а из раствора при
с м е ш е н и и его с другим раствором, содержащим о д н о и м е н н ы й ион.
Н а п р и м е р , при с м е ш е н и и р а с т в о р о в , с о д е р ж а щ и х х л о р и д ы щ е ­
л о ч н ы х и щ е л о ч н о - з е м е л ь н ы х металлов, N a C l м о ж е т в ы п а д а т ь в
о с а д о к при к о н ц е н т р а ц и и в растворе, з н а ч и т е л ь н о м е н ь ш е й , чем
к о н ц е н т р а ц и я его н а с ы щ е н и я при д а н н ы х температуре и д а в л е н и и
в д и с т и л л и р о в а н н о й воде. Т а к и м о б р а з о м , в ы с а л и в а н и е м о ж н о
рассматривать как процесс, способствующий о с а ж д е н и ю вещества
из раствора.
В а ж н ы м следствием р а с с м о т р е н н ы х , а также н е к о т о р ы х других
п р о ц е с с о в вывода веществ из п о д з е м н ы х р а с т в о р о в я в л я е т с я ф о р ­
м и р о в а н и е в т о л щ е горных пород так н а з ы в а е м ы х геохимических
барьеров — участков к о н ц е н т р а ц и и тех или и н ы х э л е м е н т о в , м а р ­
к и р у ю щ и х з о н ы к о н т а к т а между участками разреза с р а з л и ч н ы м и
геохимическими и гидрогеохимическими условиями.
Сорбционные процессы т е р м о д и н а м и ч е с к и о б у с л о в л е н ы с т р е м ­
лением системы к минимуму энергии свободной поверхности и
выражаются в к о м п е н с а ц и и с о р б и р у е м ы м и из раствора к о м п о н е н ­
тами н е н а с ы щ е н н ы х в а л е н т н ы х связей твердой ф а з ы с о б р а з о в а -
http://geoschool.web.ru
Часть I. П о д з е м н ы е воды как э л е м е н т г и д р о с ф е р ы З е м л и
106
нием нового вещества (хемосорбция) или с сохранением х и м и ч е ­
ской индивидуальности сорбента и сорбата (физическая с о р б ц и я ) .
Для ф и з и ч е с к о й сорбции характерно установление д и н а м и ч е с к о г о
равновесия между процессами адсорбции и десорбции, так называе­
мое с о р б ц и о н н о е р а в н о в е с и е , которое при н е и з м е н н ы х условиях
(температура, д а в л е н и е , к о н ц е н т р а ц и я раствора) может с у щ е с т в о ­
вать с к о л ь угодно долго. Х е м о с о р б ц и я в о т л и ч и е от ф и з и ч е с к о й ,
как п р а в и л о , необратима.
Масштабы с о р б ц и о н н ы х процессов кроме природы (заряда,
радиуса и о н а и др.) вещества о п р е д е л я ю т с я в е л и ч и н о й п о в е р х н о ­
сти раздела ф а з , п о э т о м у н а и л у ч ш и м и с о р б ц и о н н ы м и свойствами
характеризуются в ы с о к о д и с п е р с н ы е породы, м и н е р а л ь н ы е и орга­
н и ч е с к и е к о л л о и д ы . Э т о прежде всего г л и н и с т ы е м и н е р а л ы : к а о ­
л и н и т , галлуазит, м о н т м о р и л л о н и т и д р у г и е ; с в е ж е о с а ж д е н н ы е
коллоидные осадки, например гидроокиси железа, а л ю м и н и я ,
гели к р е м н и е в о й к и с л о т ы ; о р г а н и ч е с к и е к о л л о и д ы , главным о б ­
р а з о м гумус. Б о л ь ш и н с т в о у к а з а н н ы х в е щ е с т в х а р а к т е р и з у ю т с я
о т р и ц а т е л ь н ы м з а р я д о м ч а с т и ц и, следовательно, с о р б и р у ю т ка­
т и о н ы . С о р б ц и я а н и о н о в в о з м о ж н а , н о изучена слабо. И з в е с т н о ,
что с о р б и р о в а т ь а н и о н ы могут н е к о т о р ы е г л и н и с т ы е м и н е р а л ы ,
апатит и другие ф о с ф а т ы (при t> Ю0°С), п о л е в ы е ш п а т ы , с л ю д ы .
Кроме того, в контакте с к о н ц е н т р и р о в а н н ы м и хлоридными раство­
рами глины могут иметь не отрицательный, а положительный заряд
и с о р б и р о в а т ь т а к и е а н и о н ы , как В, J, F.
С о р б ц и о н н а я способность (или энергия п о г л о щ е н и я ) катионов
тем выше, чем ниже их энергия гидратации. Поэтому по с о р б ц и о н ной способности катионы образуют следующие ряды (по К.К. Гедройцу):
Li < Na < Н < N H | < К ;
M g < С а < Sr < Ва ;
A l < F e , а для р а з н о з а р я д н ы х к а т и о н о в : М е < М е < М е , т.е.
чем м е н ь ш е заряд катиона, тем хуже он сорбируется. О д н а к о сле­
дует отметить, что существуют о т к л о н е н и я от у к а з а н н о й з а к о н о ­
мерности, связанные, по-видимому, с явлением селективности
р а з л и ч н ы х веществ к с о р б ц и и одного и того же к а т и о н а .
+
3 +
+
+
+
3 +
2 +
2 +
+
2 +
2 +
2 +
3 +
С о р б ц и о н н ы е п р о ц е с с ы могут о к а з ы в а т ь с у щ е с т в е н н о е в л и я ­
ние на х и м и ч е с к и й состав п о д з е м н ы х вод, о с о б е н н о с в я з а н н ы х с
в ы с о к о д и с п е р с н ы м и п о р о д а м и , с н и ж а я ( с о р б ц и я ) или увеличивая
( д е с о р б ц и я ) м и н е р а л и з а ц и ю и в некоторых случаях в е л и ч и н у р Н .
О ч е в и д н о , что и з м е н е н и я в составе п о д з е м н ы х вод п о д в л и я н и е м
с о р б ц и и н а и б о л е е з н а ч и т е л ь н ы в случаях н а р у ш е н и я с у щ е с т в у ю ­
щего в с и с т е м е вода—порода с о р б ц и о н н о г о р а в н о в е с и я ( н а п р и ­
мер, при и з м е н е н и и г и д р о д и н а м и ч е с к и х и л и гидрогеохимических
у с л о в и й ) и затухают п о мере н а с ы щ е н и я с о р б ц и о н н о й е м к о с т и
породы.
http://geoschool.web.ru
107
Глава 4. Ф и з и ч е с к и е с в о й с т в а и х и м и ч е с к и й с о с т а в п о д з е м н ы х вод
П р о г н о з с о р б ц и о н н ы х п р о ц е с с о в имеет важное з н а ч е н и е п р и
оценке возможностей "самоочищения" загрязненных подземных
вод при ф и л ь т р а ц и и через в ы с о к о д и с п е р с н ы е п о р о д ы .
Ионный обмен — п р о ц е с с , тесно с в я з а н н ы й с с о р б ц и е й и о б у с ­
л о в л е н н ы й р а з л и ч и е м х и м и ч е с к и х п о т е н ц и а л о в и о н о в раствора и
твердой ф а з ы с а д с о р б и р о в а н н ы м и е ю и о н а м и . К о л и ч е с т в о а д ­
с о р б и р о в а н н ы х и о н о в (на п о в е р х н о с т и и в м е ж п а к е т н ы х п р о ­
странствах глинистых м и н е р а л о в ) , в ы р а ж е н н о е в мг-экв/ЮО г су­
хой породы или в % от веса сухого вещества, н а з ы в а ю т е м к о с т ь ю
п о г л о щ е н и я ' . В з а в и с и м о с т и от к а ч е с т в е н н о г о состава ( э н е р г и и
поглощения) адсорбированных ионов, величины емкости погло­
щ е н и я п о р о д ы , а также от состава и к о н ц е н т р а ц и и к о м п о н е н т о в
раствора состав о б м е н н ы х и о н о в (так н а з ы в а е м ы й п о г л о щ е н н ы й
или и о н о о б м е н н ы й к о м п л е к с ) о д н о й и т о й ж е п о р о д ы м о ж е т
быть р а з л и ч н ы м . В о б щ е м случае р е а к ц и и о б м е н а идут с а м о п р о ­
извольно в сторону в ы т е с н е н и я и о н о в с н и з к о й э н е р г и е й п о г л о ­
щ е н и я и о н а м и с более в ы с о к о й энергией п о г л о щ е н и я . Т а к , д л я
к а т и о н о в в соответствии с " р я д а м и Г е д р о й ц а " (см. в ы ш е ) А 1 р а ­
створа д о л ж е н в ы т е с н я т ь а д с о р б и р о в а н н ы е С а , M g , К ; С а
раствора — с о о т в е т с т в е н н о M g , К , N a ; M g
раствора — К ,
N a . Т а к и м о б р а з о м , при и н ф и л ь т р а ц и и п р е с н ы х Н С 0 — С а вод в
толщу засоленных глин возможны переход N a в раствор и ф о р м и ­
р о в а н и е H C 0 — N a вод. П о г л о щ е н н ы й к о м п л е к с глин при этом
о б о г а щ а е т с я к а л ь ц и е м : С а ( р - р ) + 2 N a (п.к.) <н> 2 N a ( р - р ) + С а
(п.к.). Очевидно, что процессы и о н н о г о обмена д о л ж н ы быть
н а и б о л е е р а з в и т ы в с а м о й в е р х н е й части г и д р о г е о л о г и ч е с к о г о
разреза, где и о н о о б м е н н а я с п о с о б н о с т ь горных пород п о с т о я н н о
поддерживается и возобновляется благодаря процессам механиче­
ского и химического выветривания, с п о с о б с т в у ю щ и м д и с п е р г а ц и и
и к о л л о и д о о б р а з о в а н и ю . К р о м е того, для этой з о н ы ( с в о б о д н о г о
водообмена) характерны слабоминерализованные воды, концентра­
ция к о м п о н е н т о в в которых с о и з м е р и м а с е м к о с т ь ю п о г л о щ е н и я
горных пород. М и н е р а л ы глин в этих условиях несут о т р и ц а т е л ь ­
н ы й заряд, что с т и м у л и р у е т о б м е н к а т и о н о в . Следует о т м е т и т ь ,
что и м е н н о для этой з о н ы на участках разгрузки, в болотных л а н д ­
шафтах и в условиях промышленного загрязнения характерны
процессы образования свежих коллоидных осадков, в первую о ч е ­
редь гидроокиси железа, а л ю м и н и я , марганца, а в мерзлотных л а н д ­
шафтах, кроме того, геля к р е м н и е в о й кислоты. П о С Р . К р а й н е в у ,
3 +
2 +
2 +
+
+
2 +
2 +
+
2 +
+
+
3
+
3
2 +
+
1
+
2 +
Емкость поглощения глинистых минералов: монтмориллонит 80—150, гид­
рослюды 10—150, каолинит 3—15, галлуазит 10—50 мг-экв/ЮО г.
http://geoschool.web.ru
Часть I. П о д з е м н ы е воды как э л е м е н т г и д р о с ф е р ы З е м л и
108
гидроокислы в щ е л о ч н о й среде сорбируют к а т и о н ы , а в кислой —
а н и о н ы и, с л е д о в а т е л ь н о , могут с п о с о б с т в о в а т ь как а н и о н н о м у ,
так и к а т и о н н о м у обмену.
В п р и р о д н ы х условиях п р о ц е с с и о н н о г о о б м е н а в чистом виде
наблюдается с р а в н и т е л ь н о редко, о б ы ч н о он с о п р я ж е н с другими
( с о р б ц и о н н ы м и , д и ф ф у з и о н н ы м и , о с м о т и ч е с к и м и и др.) п р о ц е с ­
с а м и , х а р а к т е р н ы м и для с л а б о п р о н и ц а е м ы х пород.
Гидролиз. Особенностью растворения некоторых природных м и ­
неральных соединений, и в частности таких ш и р о к о распространен­
ных, как с и л и к а т ы , является ф о р м и р о в а н и е на р а с т в о р я ю щ е й с я
поверхности пленки вторичных труднорастворимых соединений
(так н а з ы в а е м о й и н к о н г р у э н т н о й о б о л о ч к и ) , препятствующей
дальнейшему растворению. Наиболее распространенным природ­
н ы м п р о ц е с с о м , для которого это х а р а к т е р н о , является гидролиз
с и л и к а т н ы х и а л ю м о с и л и к а т н ы х м и н е р а л о в . Этот п р о ц е с с имеет
в а ж н е й ш е е значение для ф о р м и р о в а н и я коры выветривания к р и с ­
т а л л и ч е с к и х п о р о д и состава т р е щ и н н ы х вод г о р н о - с к л а д ч а т ы х
областей гидрогеологических массивов. Гидролиз — реакция
между ионами Н и О Н " воды и ионами (элементами, ассоциатами)
растворяемого м и н е р а л ь н о г о вещества с образованием слабодиссоц и и р у ю щ и х с о е д и н е н и й и и з м е н е н и е м р Н п р и р о д н ы х растворов.
В с и с т е м е , с о д е р ж а щ е й а н и о н ы слабых к и с л о т ( H S i O ~ , С О " ,
H C 0 , H S ) и к а т и о н ы с и л ь н ы х о с н о в а н и й , идет гидролиз а н и о ­
н о в с о с в я з ы в а н и е м протона. Н а п р и м е р :
+
2
3
3
+
Н С О " + Н 0 <-» Н С О " + Н + О Н " <-> н с о
2
2
+
H S " + н о <-» H S + Н + О Н " о
2
3
+он ,
H S + ОН".
2
П р и этом р Н раствора п о в ы ш а е т с я .
Гидролиз к а т и о н о в происходит, если в растворе присутствуют
а н и о н ы с и л ь н ы х кислот, э л е м е н т ы , о б р а з у ю щ и е т р у д н о р а с т в о р и ­
м ы е гидроокиси, или катионы — с и л ь н ы е комплексообразователи
( F e , А1 ):
3+
3+
Fe
3 +
+ З Н 0 <-» F e
2
3 +
+ ЗН
+
+
+ З О Н " <-» F e ( O H ) + З Н .
3
I
р Н раствора п о н и ж а е т с я .
В природных условиях изолированные процессы гидролиза
к а т и о н о в и а н и о н о в наблюдаются ч р е з в ы ч а й н о редко, п о с к о л ь к у
п р и р о д н ы е растворы о б ы ч н о м н о г о к о м п о н е н т н ы и содержат а н и о ­
н ы как слабых, так и с и л ь н ы х о с н о в а н и й и р а з л и ч н ы е к а т и о н ы .
У к а з а н н ы е в ы ш е реакции протекают о д н о в р е м е н н о , и р Н раствора
определяется в к о н е ч н о м счете с о о т н о ш е н и е м констант д и с с о ц и а ­
ц и и вновь о б р а з о в а н н ы х кислот и о с н о в а н и й .
http://geoschool.web.ru
Глава 4. Ф и з и ч е с к и е с в о й с т в а и х и м и ч е с к и й с о с т а в п о д з е м н ы х вод
109
А л ю м о с и л и к а т н ы е м и н е р а л ы в п р о ц е с с е гидролиза м е д л е н н о
разлагаются водой с о б р а з о в а н и е м вторичных г л и н и с т ы х м и н е р а ­
л о в ( к а о л и н и т а , м о н т м о р и л л о н и т а и др.), п р и ч е м по мере о б р а з о ­
вания и н к о н г р у э н т н о й о б о л о ч к и п р о ц е с с п о с т е п е н н о затухает. В
п р и р о д н ы х условиях в зоне гипергенеза д а л ь н е й ш е е растворение
может п р о и с х о д и т ь т о л ь к о при удалении о б о л о ч к и м е х а н и ч е с к и м
путем или в процессе с о п р я ж е н н ы х х и м и ч е с к и х р е а к ц и й .
В качестве типичного примера рассмотрим широко распространенный про­
цесс гидролитического разложения алюмосиликатов в зоне гипергенеза при учас­
тии СО, биохимического или иною генезиса.
По С Л . Шварпеву, образующийся по реакции типа
4 K A l S i , O + 14Н,0 -> AI [Si O | • ( О Н ) + 4К+ + 40НГ + 8 H S i O ,
каолинит
s
4
4
l(1
8
2
гидроксид-ион при постоянном поступлении С О , практически весь связывается
в гидрокарбонат-ион по схеме: ОН~ + С О , —> НСО~, т.е. происходит перевод в
растворимую форму труднодиссоциируюших продуктов гидролиза. При этом
подземные воды обогащаются кремнекислотой и НСО~. рН растворов будет зависить от соотношения процессов гидролиза и генерации СО,.
В зоне м е т а м о р ф и з м а гидролизу с о б р а з о в а н и е м г и д р о о к и с л о в
металлов и кислот могут подвергаться к а р б о н а т н ы е , с у л ь ф а т н ы е
и даже х л о р и д н ы е м и н е р а л ы ( В а л у к о н и с , Ходьков, 1978; К р а й н о в
и др., 2004).
Диффузия в гидрогеохимии — это п р о ц е с с п е р е р а с п р е д е л е н и я
вещества в п р и р о д н ы х растворах или в с и с т е м е " в о д а — п о р о д а "
под в л и я н и е м градиента х и м и ч е с к о г о п о т е н ц и а л а (см. гл. 5). П р и
наличии в слоистой системе разности химических потенциалов
к а к о г о - л и б о к о м п о н е н т а ( н а п р и м е р , р а з л и ч и е с о д е р ж а н и й С1~ в
водоносных горизонтах I и II, разделенных глинистым слоем) воз­
н и к а е т н а п р а в л е н н ы й д и ф ф у з и о н н ы й п о т о к через р а з д е л я ю щ и й
слой глин из горизонта I с более в ы с о к и м х и м и ч е с к и м п о т е н ц и а ­
лом этого к о м п о н е н т а к горизонту II с м е н ь ш и м его з н а ч е н и е м .
В водоносных и слабопроницаемых отложениях, граничащих с
г а л о г е н н ы м и т о л щ а м и , т а к ж е существуют градиенты х и м и ч е с к и х
п о т е н ц и а л о в и, следовательно, д и ф ф у з и о н н ы е п о т о к и . П р и в е д е н ­
ные схемы я в л я ю т с я едва ли не с а м ы м и т и п и ч н ы м и п р и м е р а м и
д и ф ф у з и о н н ы х п р о ц е с с о в в п р и р о д н ы х гидрогеохимических с и с ­
темах. Н е к о т о р ы е и с с л е д о в а т е л и ( С И . С м и р н о в и др.) с ч и т а ю т
д и ф ф у з и ю о п р е д е л я ю щ и м процессом в ф о р м и р о в а н и и состава
глубоких в ы с о к о м и н е р а л и з о в а н н ы х вод, генетически с в я з ы в а я их
с древними галогенными толщами.
В гидрогеохимической литературе часто встречается термин
"диффузионное выщелачивание'",
под которым п о н и м а ю т д и ф ф у з и ю
http://geoschool.web.ru
110
Часть I. П о д з е м н ы е воды как элемент г и д р о с ф е р ы З е м л и
к о м п о н е н т а из поровых растворов глинистых пород под в л и я н и ­
ем градиента к о ц е н т р а ц и й . Д и ф ф у з и о н н о е в ы щ е л а ч и в а н и е глин
в о з м о ж н о в тех случаях, когда градиент к о н ц е н т р а ц и й обусловлен
м е н ь ш и м с о д е р ж а н и е м к о м п о н е н т а в к о н в е к т и в н о м потоке, т.е. в
в о д о н о с н о м горизонте, к о н т а к т и р у ю щ е м с г л и н а м и , или в м а к р о порах' самих глин. Т а к и м о б р а з о м , за счет д и ф ф у з и и может п р о ­
исходить р а с с о л е н и е глин с и з м е н е н и е м состава их п о г л о щ е н н о г о
к о м п л е к с а . Возможен и о б р а т н ы й процесс — д и ф ф у з и о н н о е за­
с о л е н и е глин, характерное для а р и д н ы х областей.
В п р и р о д н ы х условиях д и ф ф у з и я о б ы ч н о является с о с т а в н о й
частью сложного комплекса гидрогеохимических процессов в
с л а б о п р о н и ц а е м ы х п о р о д а х , з а в и с я щ и х т а к ж е от о с о б е н н о с т е й
г и д р о д и н а м и ч е с к и х условий ( с о о т н о ш е н и я ф и л ь т р а ц и и и д и ф ф у ­
зии) при процессе " п е р е т е к а н и я " .
Д л я о ц е н к и о т н о с и т е л ь н о й роли к о н в е к т и в н о й и д и ф ф у з и о н ­
ной с о с т а в л я ю щ и х потока п р и м е н я ю т ч и с л о Пекле (Ре):
где V — с к о р о с т ь ф и л ь т р а ц и и , с м / с ; / — р а с с т о я н и е , см; D — к о ­
э ф ф и ц и е н т д и ф ф у з и и , х а р а к т е р и з у ю щ и й с п о с о б н о с т ь вещества к
п р о н и к н о в е н и ю д и ф ф у з и о н н ы м путем в и н у ю н е п о д в и ж н у ю среду
и п р е д с т а в л я ю щ и й собой ф и з и ч е с к у ю константу, с м / с
Считают, что при Ре < 0,05 р а с п р е д е л е н и е к о м п о н е н т а в с и с т е ­
ме определяется т о л ь к о м о л е к у л я р н о й д и ф ф у з и е й , при Ре > 10 —
только к о н в е к ц и е й . Промежуточные значения характеризуют к о н ­
в е к т и в н о - д и ф ф у з и о н н ы й перенос.
О ч е в и д н о , что ф о р м и р о в а н и е х и м и ч е с к о г о состава п о д з е м н ы х
вод главным образом под в л и я н и е м д и ф ф у з и о н н ы х п р о ц е с с о в ха­
р а к т е р н о для э л е м е н т о в гидрогеологического разреза с " м а л ы м и "
с к о р о с т я м и д в и ж е н и я п о д з е м н ы х вод (зона з а т р у д н е н н о г о водо­
о б м е н а , г л и н и с т ы е т о л щ и , галогенные породы и др.).
2
Гидробиохимические процессы
Процессы с участием живого вещества в подземных водах изуче­
н ы недостаточно, хотя о ч е в и д н о , что а к т и в н а я ж и з н е д е я т е л ь н о с т ь
м и к р о о р г а н и з м о в в п о д з е м н ы х водах — о д и н из в а ж н е й ш и х ф а к 1
В случае массопереноса в глинах по модели "двойной скважности" считают,
что в тупиковых микропорах идет процесс диффузии, а в сообщающихся между
собой макропорах — конвективный (диффузионно-конвективный) перенос ве­
щества.
http://geoschool.web.ru
Глава 4. Ф и з и ч е с к и е с в о й с т в а и х и м и ч е с к и й с о с т а в п о д з е м н ы х вод
111
торов ф о р м и р о в а н и я их х и м и ч е с к о г о состава. В н а с т о я щ е е время
установлена б о л ь ш а я роль ж и в о г о вещества в о б щ е м круговороте
х и м и ч е с к и х э л е м е н т о в , о с о б е н н о углерода, азота, железа, с е р ы ,
ф о с ф о р а , к р е м н и я , калия. В ц и к л е развития (в процессах ф о т о - и
хемосинтеза) ж и в ы е о р г а н и з м ы (в том числе м и к р о о р г а н и з м ы ) и
р а с т е н и я с и н т е з и р у ю т из м и н е р а л ь н ы х в е щ е с т в о р г а н и ч е с к и е .
П о с л е д н и е при р а з р у ш е н и и и о т м и р а н и и ж и в о г о вещества снова
м и н е р а л и з у ю т с я , что т а к ж е п р о и с х о д и т с у ч а с т и е м м и к р о о р г а ­
н и з м о в . П о с к о л ь к у все эти п р о ц е с с ы п р и н ц и п и а л ь н о в о з м о ж н ы
только в присутствии воды, в гидросфере они распространены
п р а к т и ч е с к и всюду, где т е р м о б а р и ч е с к и е и к о н ц е н т р а ц и о н н ы е
условия допускают возможность существования и развития живого
вещества. Э н е р г и ю , н е о б х о д и м у ю для ж и з н е д е я т е л ь н о с т и , м и к р о ­
о р г а н и з м ы получают в процессе переноса э л е к т р о н о в от веществ
с б о л ь ш е й э л е к т р о о т р и ц а т е л ь н о с т ь ю к веществам с м е н ь ш и м и ее
в е л и ч и н а м и при а к т и в н о м у ч а с т и и ф е р м е н т о в , р а з л и ч н ы х д л я
р а з н ы х в и д о в б а к т е р и й . Ф е р м е н т ы к а т а л и з и р у ю т эти р е а к ц и и ,
облегчая возможность химического контакта (переноса электрона)
между н и м и . С п о м о щ ь ю своей ф е р м е н т а т и в н о й с и с т е м ы м и к р о ­
о р г а н и з м ы с п о с о б н ы во м н о г о раз ускорять о к и с л и т е л ь н о - в о с с т а ­
н о в и т е л ь н ы е р е а к ц и и в системе "вода—порода". К р о м е того, н е ­
посредственное воздействие на геологическую среду в о о б щ е и на
ф о р м и р о в а н и е х и м и ч е с к о г о состава п о д з е м н ы х вод в ч а с т н о с т и
оказывают продукты жизнедеятельности живого вещества, осо­
б е н н о такие х и м и ч е с к и а к т и в н ы е , как С 0 , H S , Н , 0 и др.
Наиболее в а ж н ы м и б и о х и м и ч е с к и м и п р о ц е с с а м и в п о д з е м н ы х
водах являются биогенная генерация С 0 , с у л ь ф о ф и к а ц и я и сульфатредукция, нитрификация и денитрификация, метанообразование, водородредукция.
Биогенная генерация С 0 — наиболее ш и р о к о распространенный
б и о х и м и ч е с к и й п р о ц е с с , н е п о с р е д с т в е н н о в л и я ю щ и й на х и м и ­
ческий состав п о д з е м н ы х вод. П р и л ю б о м и з м е н е н и и с о д е р ж а н и я
С О , — п о т р е б л е н и и (или в ы д е л е н и и ) его ж и в ы м в е щ е с т в о м —
п р о и с х о д и т сдвиг р а в н о в е с и я р е а к ц и й п р о т о н и р о в а н и я и с о о т ­
ветственно уменьшается (или увеличивается) содержание Н и
H C O т.е. происходит п о д щ е л а ч и в а н и е (или п о д к и с л е н и е ) п р и ­
р о д н о г о раствора. П р и э т о м с о з д а ю т с я у с л о в и я д л я в ы п а д е н и я
C a C 0 , C a M g ( C 0 ) в о с а д о к или, наоборот, для их р а с т в о р е н и я .
И м е н н о с этими процессами, как правило, связана кальцитизация
по т р е щ и н а м , столь характерная для о б о г а щ е н н ы х о р г а н и ч е с к и м
веществом сред: каустобиолитов, б и т у м и н о з н ы х т е р р и г е н н ы х п о ­
род, зон к о н т а к т о в с н е ф т е г а з о в ы м и залежами в условиях затруд­
н е н н о г о водообмена.
2
2
2
2
2
2
+
v
3
3
2
http://geoschool.web.ru
Часть I. П о д з е м н ы е воды как элемент г и д р о с ф е р ы З е м л и
112
П р о ц е с с ы генерации б о л ь ш и х количеств С 0 ш и р о к о развиты
при микробиологическом разрушении органических веществ н е ф ­
т я н о г о ряда при н а л и ч и и условий д л я развития а э р о б н о й ф л о р ы
(метан- или п р о п а н о к и с л я ю ш и х б а к т е р и й ) .
Важное з н а ч е н и е в ф о р м и р о в а н и и геохимических и гидрогео­
х и м и ч е с к и х у с л о в и й и м е ю т сульфофикация,
т.е. о к и с л е н и е э л е ­
м е н т а р н о й и в о с с т а н о в л е н н о й ф о р м серы д о S O " — т и о н о в ы м и ,
пурпурными и серобактериями (аэробными и анаэробными), и
сульфатредукция
— восстановление элементарной и окисленной
ф о р м серы д о H S б а к т е р и я м и рода Desulfovebrio и д р . Э т и п р о ­
цессы представляют собой в а ж н е й ш и е э т а п ы круговорота серы в
природе.
Процесс с у л ь ф о ф и к а ц и и серобактериями характерен для а э р о б ­
ных условий. О н происходит п о схеме:
2
2
2
2H S + 0
2
2
- » 2 Н 0 + S + 65 ккал,
2
2
S, + 3 0 + 2 Н 0 - » 2 H S 0 + 283 ккал.
2
2
2
4
О б р а з у ю щ а я с я на п р о м е ж у т о ч н о м этапе сера накапливается в
клетках серобактерий и затем окисляется д о серной кислоты. П р и
наличии в системе кальция в о з м о ж н о продуцирование гипса.
М и к р о о р г а н и з м ы из рода Thiobacillus не накапливают серу в клет­
ках, в остальном процесс идет а н а л о г и ч н о р а с с м о т р е н н о м у с о б ­
р а з о в а н и е м а г р е с с и в н ы х п о о т н о ш е н и ю к в о с с т а н о в л е н н о й сере
с о е д и н е н и й . Н а п р и м е р , п р и ж и з н е д е я т е л ь н о с т и Th. ferrooxidans
образуется сульфат о к и с и железа, к о т о р ы й в с в о ю очередь я в л я ­
ется с и л ь н ы м о к и с л и т е л е м сульфидов:
2FeS + 7,50 + Н 0 -» F e ( S 0 ) + H S 0 .
2
2
2
2
4
3
2
4
Д а н н ы й процесс ш и р о к о распространен в районах сульфидных
м е с т о р о ж д е н и й . Н . Н . Л я л и к о в о й у с т а н о в л е н о , что о н у с к о р я е т
о к и с л е н и е сульфидов в 10—30 раз. П р и этом происходит к о н ц е н т ­
р и р о в а н и е металлов в р а с т в о р и м о й ф о р м е в к и с л ы х р у д н и ч н ы х
водах — я в л е н и е , уже и с п о л ь з у ю щ е е с я д л я и з в л е ч е н и я металлов
из бедных руд в п р о м ы ш л е н н ы х целях.
В процессе сульфофикации понижается рН природных ра­
створов, в н и х возрастает с о д е р ж а н и е S O " . К р о м е того, о б р а з у ю ­
щаяся H S 0 а г р е с с и в н о воздействует на к а р б о н а т н ы е , с и л и к а т ­
н ы е , а л ю м о с и л и к а т н ы е п о р о д ы , с п о с о б с т в у я их р а з л о ж е н и ю и
р а с т в о р е н и ю , о б о г а щ е н и ю п о д з е м н ы х вод углекислотой, с у л ь ф а ­
том о к и с и железа, о р г а н и ч е с к и м и к и с л о т а м и и д р .
Процесс сульфатредукции возможен л и ш ь в анаэробных услови­
ях и заключается в восстановлении о к и с л е н н ы х ф о р м серы ( S O )
2
2
4
2
http://geoschool.web.ru
113
Глава 4. Ф и з и ч е с к и е с в о й с т в а и х и м и ч е с к и й с о с т а в п о д з е м н ы х вод
до H , S а н а э р о б н ы м и с у л ь ф а т р е д у ц и р у ю щ и м и б а к т е р и я м и . И з в е с ­
т н о , что чисто х и м и ч е с к о е р а з л о ж е н и е сульфатов под в л и я н и е м
т е м п е р а т у р ы и д а в л е н и я в пределах д о с т у п н о й и з у ч е н и ю части
разреза л и т о с ф е р ы из-за о ч е н ь высокой э н е р г и и связи кислорода
и серы в ионе S O " может происходить л и ш ь в в ы с о к о т е м п е р а ­
турных условиях (большие глубины, р а й о н ы современного вулка­
низма). О д н а к о сульфатредуцирующие бактерии с п о м о щ ь ю ф е р ­
ментов с п о с о б н ы разорвать эту связь, используя для этого э н е р г и ю
о к и с л е н и я водорода или о р г а н и ч е с к о г о вещества. В з а в и с и м о с т и
от и с п о л ь з о в а н и я в качестве э н е р г е т и ч е с к о г о материала газооб­
разного водорода ( Н ) или органического вещества подземных вод
и горных пород (С .) выделяют автотрофнут
и
гетеротрофную
сул ьфатреду к и и ю:
2
2
2
2
SO " + 4 Н = S - + 4 Н 0 ;
2
2
2
SO " + 2 C
2
o p r
= S " + 2С0 .
2
Процесс сульфатредукции может идти при температурах от 0—2
до 70—80°С и имеет в а ж н е й ш е е з н а ч е н и е для ф о р м и р о в а н и я х и ­
м и ч е с к о г о состава пластовых вод а р т е з и а н с к и х п л а т ф о р м е н н ы х и
межгорных бассейнов.
Сульфатредукция
обусловливает сразу несколько гидрогеохими­
ческих следствий: генерируются значительные количества (от м и л ­
л и г р а м м о в до I—4 г/л) сероводорода (S ~ + 2 Н 0 = H S + 2 0 Н ) —
о д н о г о из в а ж н е й ш и х п о т е н ц и а л з а д а ю щ и х веществ. П р и этом
создаются в о с с т а н о в и т е л ь н ы е условия (Eh 300 мВ и менее) и в ы ­
падают в осадок в виде сульфидов Fe, Си, РЬ и др. П о в ы ш е н и е р Н
среды п р и в о д и т к с м е щ е н и ю к а р б о н а т н ы х р а в н о в е с и й в сторону
С О " , следствием чего является о с а ж д е н и е С а С 0 .
2
2
2
2
3
П р и а в т о т р о ф н о й с у л ь ф а т р е д у к ц и и выделяется з н а ч и т е л ь н о е ,
в п л о т ь до п е р е с ы щ е н и я , к о л и ч е с т в о у г л е к и с л о т ы , к о т о р а я при
наличии в водах С а
и Mg
стимулирует о с а ж д е н и е к а р б о н а т о в
этих элементов. За счет редукции сульфатов и осаждения к а р б о н а ­
тов кальция и магния могут происходить существенное с н и ж е н и е
м и н е р а л и з а ц и и п о д з е м н ы х вод и с м е н а д о м и н и р у ю щ и х и о н о в .
2 +
2 +
Например, в том случае, когда в зону развития сульфатредуцирующих бакте­
рий поступают воды S0 —Са состава с минерализацией 2—3 г/л и более, на ко­
нечном этапе процесса сульфатредукции могут сформироваться воды H C 0 — N a
состава с минерализацией до 1 — 1,5 г/л. Таков, возможно, генезис содовых вод
пониженной минерализации в инверсионных гидрогеохимических разрезах неко­
торых артезианских бассейнов.
4
3
П р о ц е с с нитрификации
п р о и с х о д и т в п о ч в е н н ы х водах и я в л я ­
ется в а ж н е й ш и м э т а п о м о б р а з о в а н и я н и т р а т о в , н е о б х о д и м ы х р а с ­
т е н и я м , в круговороте азота.
http://geoschool.web.ru
114
Часть I. П о д з е м н ы е воды как э л е м е н т г и д р о с ф е р ы Земли
П р о ц е с с денитрификации
х а р а к т е р е н для в о с с т а н о в и т е л ь н ы х
у с л о в и й ( н а п р и м е р , глубоких частей а р т е з и а н с к и х структур) и
заключается в в о с с т а н о в л е н и и б а к т е р и я м и н и т р а т о в с п о м о щ ь ю
ф е р м е н т о в через н и т р и т ы , г и д р о к с и л а м и н и закись азота д о с в о ­
бодного азота:
2
4 N O J + 5С -> 2 С 0 - + З С 0 Т + 2 N T .
2
2
Д о н о р о м электронов является органическое вещество, а к ц е п т о ­
ром — кислород нитратов. Как показывает схема, о д н о в р е м е н н о
с и н т е з и р у ю т с я з н а ч и т е л ь н ы е количества углекислоты.
Д л я глубоких частей п л а т ф о р м е н н ы х и м е ж г о р н ы х а р т е з и а н ­
ских структур характерен также п р о ц е с с м е т а н о о б р а з о в а н и я , осу­
щ е с т в л я е м ы й м е т а н о б р а з у ю ш и м и б а к т е р и я м и за счет р а з л о ж е н и я
ж и р н ы х кислот, а т а к ж е водорода и углекислоты.
И н а к о н е ц , следует подчеркнуть о с о б у ю роль б и о х и м и ч е с к и х
п р о ц е с с о в в п о д з е м н ы х водах, з а к л ю ч а ю щ у ю с я в с т и м у л я ц и и и
ускорении процессов к о м п л е к с о о б р а з о в а н и я , которые, как показа­
ли исследования последних лет, ш и р о к о распространены в п р и р о ­
де. С участием м и к р о о р г а н и з м о в происходит разложение т р у д н о ­
р а с т в о р и м ы х о р г а н и ч е с к и х с о е д и н е н и й и перевод их в раствор в
ф о р м е различных органических кислот (гуминовой, я б л о ч н о й , щ а ­
велевой, в и н н о й и др.), образующих относительно х о р о ш о раство­
р и м ы е к о м п л е к с ы со м н о г и м и металлами (Fe, A l , Z n , Pb и др.).
В н а с т о я щ е е время изучение б и о х и м и ч е с к и х п р о ц е с с о в в п о д ­
земных водах становится необходимой составной частью гидрогео­
химии.
Вопросы к главе 4
1. Физические свойства подземных вод.
2. Макро-, мезо- и микрокомпоненты
химического состава под­
земных вод. Минерализация
и сухой
остаток.
3. Водородный показатель (рН) и
окислительно-восстановитель­
ный потенциаа (Eh).
4. Жесткость и агрессивность подземных вод.
5. Виды и формы выражения анализа воды.
6. Классификации подземных вод по химическому составу {О.А. Алекин, В.А. Сулин).
7. Формула М.Г. Курлова и формула ионного состава
подземных
вод.
8. Процессы формирования химического состава подземных вод.
http://geoschool.web.ru
115
Глава 5. Д и н а м и к а и р е ж и м п о д з е м н ы х вод
Глава
5
ДИНАМИКА И РЕЖИМ
П О Д З Е М Н Ы Х ВОД
В э н ц и к л о п е д и и т е р м и н " ф и л ь т р а ц и я " определен как д в и ж е н и е
жидкости в пористой среде. Д в и ж е н и е подземных вод происходит
не только в п о р и с т ы х , но и в т р е щ и н о в а т ы х породах, а также в
средах с более с л о ж н о й геометрией свободного ("фильтрующего")
пространства (см. гл. 3). К р о м е того, в связи с м н о г о о б р а з и е м в и ­
дов воды в горных породах в о з м о ж н ы р а з л и ч н ы е виды ее д в и ж е ­
ния и р а з л и ч н ы е э н е р г е т и ч е с к и е с и л ы , о п р е д е л я ю щ и е такое д в и ­
ж е н и е ( д в и ж е н и е м о л е к у л п а р о о б р а з н о й в о д ы , д в и ж е н и е воды
под действием сил п о в е р х н о с т н о г о н а т я ж е н и я , д и ф ф у з и я и др.).
В гидрогеологии под т е р м и н о м " ф и л ь т р а ц и я подземных вод" п о ­
нимается д в и ж е н и е свободной гравитационной
воды, происходящее
под действием силы тяжести или градиента давления (при условии
п о л н о г о н а с ы щ е н и я с в о б о д н о г о пространства водой). Во многих
случаях ф и л ь т р а ц и я п о д з е м н ы х вод не м о ж е т б ы т ь о т о р в а н а от
других видов д в и ж е н и я воды, с у щ е с т в у ю щ и х в п о д з е м н о й гидро­
сфере п л а н е т ы . В соответствии с этим в последнее время ш и р о к о
используется т е р м и н " г е о ф и л ь т р а ц и я " ( В . М . Ш е с т а к о в ) ( ф и л ь т ­
р а ц и я в геологической среде), к о т о р ы й о б ъ е д и н я е т все виды д в и ­
ж е н и я воды в горных породах.
5.1. Фильтрационный поток
Если рассматривать д в и ж е н и е подземных вод через поперечное
сечение л ю б о г о элемента п о д з е м н о й г и д р о с ф е р ы , то в реальных
условиях д в и ж е н и е с в о б о д н о й ( г р а в и т а ц и о н н о й ) воды п р о и с х о ­
дит по системе в з а и м о с в я з а н н ы х пустот в м и н е р а л ь н о м скелете
г о р н о й п о р о д ы за в ы ч е т о м части с е ч е н и я этих пустот, з а н я т ы х
с в я з а н н о й в о д о й , з а щ е м л е н н ы м воздухом, газом и д р . О т н о с и ­
т е л ь н ы й объем такого с в о б о д н о г о " ф и л ь т р у ю щ е г о " пространства
или часть п о п е р е ч н о г о с е ч е н и я э л е м е н т а ( п р и о д н о р о д н о й гео­
метрии с в о б о д н о г о пространства) определяется з н а ч е н и е м к о э ф ­
ф и ц и е н т а а к т и в н о й с к в а ж н о с т и горной породы п (см. гл. 3). Д л я
у п р о щ е н и я р а с ч е т о в у с л о в н о п р и н и м а е т с я , что д в и ж е н и е воды
происходит через все п о п е р е ч н о е сечение элемента, п л о щ а д ь к о ­
торого определяется в этом случае из с о о т н о ш е н и я :
а
2
F= Вт ( с м , м
2
и т.д.),
(5.1)
где В — ш и р и н а потока, м; т — м о щ н о с т ь потока (пласта), м.
http://geoschool.web.ru
Часть I. П о д з е м н ы е воды как элемент г и д р о с ф е р ы Земли
116
Реальная п л о щ а д ь п о п е р е ч н о г о сечения потока F' составляет
т о л ь к о часть о б щ е г о с е ч е н и я и определяется с учетом в е л и ч и н ы
активной скважности я :
а
F' = n F=n Bm.
a
(5.2)
a
Тем с а м ы м реальный естественный поток г р а в и т а ц и о н н ы х под­
з е м н ы х вод, ф и л ь т р у ю щ и й с я по системе пор или т р е щ и н , з а м е ­
няется условным п о т о к о м , к о т о р ы й н а з ы в а е т с я
фильтрационным
потоком п о д з е м н ы х вод.
Расходом ф и л ь т р а ц и о н н о г о п о т о к а Q н а з ы в а е т с я к о л и ч е с т в о
воды, проходящее в е д и н и ц у времени через п о п е р е ч н о е сечение
потока ( с м / с , л / с , м / с у т и т.д.). П о с к о л ь к у о ц е н к а расхода м о ­
жет п р о и з в о д и т ь с я д л я п о т о к о в ( э л е м е н т о в п о т о к а ) , и м е ю щ и х
р а з л и ч н у ю ш и р и н у , введено п о н я т и е так н а з ы в а е м о г о удельного
(единичного) расхода потока а, под которым п о н и м а е т с я к о л и ч е ­
ство воды, проходящее в е д и н и ц у времени через п о п е р е ч н о е се­
чение потока при ш и р и н е I м ( с м / с , л / с , м / с у т и т.д.).
Под скоростью фильтрации
(скоростью фильтрационного по­
тока) п о н и м а е т с я количество воды, которое проходит в е д и н и ц у
времени через е д и н и ц у п о п е р е ч н о г о сечения п о т о к а (пласта):
3
3
3
3
v = %,
(5.3)
где v — с к о р о с т ь ф и л ь т р а ц и и ( с м / с , м/сут и т.д.); Q — расход
ф и л ь т р а ц и о н н о г о потока ( с м / с , м / с у т ) ; F — п л о щ а д ь п о п е р е ч ­
ного сечения ( с м , м ) .
Так как при расчете скорости ф и л ь т р а ц и и расход потока о т н е ­
сен ко всей п л о щ а д и п о п е р е ч н о г о с е ч е н и я ( с м . ф о р м у л у 5.3),
с к о р о с т ь ф и л ь т р а ц и и не характеризует д е й с т в и т е л ь н у ю ( и с т и н ­
ную) скорость д в и ж е н и я воды по " ф и л ь т р у ю щ е м у " пространству
минерального скелета породы. Действительная
скорость д в и ж е н и я
воды и, согласно ф о р м у л е (5.2), может быть определена из соот­
ношения
3
2
3
2
и . - Я - . е - а - .
Fn
F
п
0
( .4)
5
0
где F' — п о п е р е ч н о е с е ч е н и е с в о б о д н о г о " ф и л ь т р у ю щ е г о " п р о ­
странства ( с м , м ) ; я — к о э ф ф и ц и е н т а к т и в н о й с к в а ж н о с т и гор­
ной породы — доли е д и н и ц ы , поскольку всегда п < 1; u>v.
2
2
()
0
http://geoschool.web.ru
117
Глава 5. Д и н а м и к а и р е ж и м п о д з е м н ы х вод
Рис. 5.1. Установившееся ламинарное дви­
жение жидкости в цилиндрической трубке
(по Р. де Уисту, 1969)
Напор и напорный
градиент.
Как было указано выше, движе­
ние гравитационных подземных
вод осуществляется под действием
силы тяжести и (или) градиента
давления. Для анализа сил, опреде­
л я ю щ и х ф и л ь т р а ц и ю , рассмотрим
уравнение Бернулли для потока
идеальной жидкости, проходящего
ч е р е з т р у б к у , и з о б р а ж е н н у ю на
рис. 5.1:
Z. +
z
Z, h
Плоскость сравнения
v
1
2
2g
(5.5)
1-2'
+
2g
|
где />, и Р — гидростатическое давление соответственно в с е ч е н и ­
ях 1 и 2; Z, и Z , — расстояния от исследуемых точек потока 1 и 2
д о в ы б р а н н о й п л о с к о с т и с р а в н е н и я ; у — вес воды в е д и н и ц е
объема; и, и о , - с к о р о с т и д в и ж е н и я ж и д к о с т и с о о т в е т с т в е н н о в
'I
'2
с е ч е н и я х 1 и 2; g — у с к о р е н и е с и л ы т я ж е с т и ; А Я
потеря
э н е р г и и ж и д к о с т и на участке между с е ч е н и я м и 1 и 2.
2
|
2
v
Z , + — + —- и Z , + — + — х а р а к т е р и з у ю т п о л н у ю
у
2g
у
2g
э н е р г и ю струи ж и д к о с т и , о т н е с е н н у ю к е д и н и ц е ее массы в л ю б о й
точке рассматриваемых сечений потока. Уравнение Бернулли, учи­
т ы в а ю щ е е потерю э н е р г и и ж и д к о с т и (АЯ, ) на участке 1—2 под
влиянием с и л ы т р е н и я , выражает закон сохранения энергии струи
д в и ж у щ е й с я ж и д к о с т и . Ч л е н ы р а с с м о т р е н н о г о у р а в н е н и я (5.5)
Суммы
2
Р
характеризуют соответственно: — — э н е р г и ю д а в л е н и я ж и д к о с т и
У
в данной точке потока; Z — энергию положения относительно
единой плоскости сравнения; —
— скоростной напор. В рас-
с м а т р и в а е м о м случае и, = и , п о э т о м у о б щ а я э н е р г и я ж и д к о с т и в
л ю б о й точке потока может б ы т ь о х а р а к т е р и з о в а н а в ы р а ж е н и е м
2
Н
Z +
+ const.
У
http://geoschool.web.ru
(5.6)
118
Часть I. П о д з е м н ы е воды как э л е м е н т г и д р о с ф е р ы Земли
Рис. 5.2. Схема потока подземных вод
со свободной поверхностью:
/ — породы водоносного горизонта и
зоны аэрации; 2 — слабопроницаемые
породы; _? — свободный уровень под­
земных вод; 4 — пьезометры (сква­
жины); J — направление движения
потока подземных вод
Величина И называется пье­
зометрическим
напором,
или
просто напором, и является ме­
рой энергии потока движущейся
жидкости.
А н а л о г и ч н о рис. 5.1 рассмотрим поток п о д з е м н ы х вод, д в и ж у ­
щ и й с я в е с т е с т в е н н о й среде ( р и с . 5.2). П р и п о г р у ж е н и и п ь е з о ­
метра ( с к в а ж и н а , колодец) в л ю б у ю точку потока вода под д е й с т ­
вием гидростатического д а в л е н и я Р в д а н н о й точке п о д н и м е т с я
до верхней г р а н и ц ы потока.
Высота, на которую п о д н и м е т с я вода под действием гидроста­
т и ч е с к о г о д а в л е н и я в д а н н о й точке потока: h = — (м, с м ) , н а з ы Y
вается пьезометрической
высотой и характеризует " э н е р г и ю д а в л е ­
н и я " . П о с к о л ь к у р а с с м а т р и в а е м ы е т о ч к и потока могут з а н и м а т ь
р а з н о в ы с о т н о е п о л о ж е н и е , э н е р г и я потока в двух точках д о л ж н а
б ы т ь приведена к е д и н о й плоскости сравнения: Z, и Z — расстоя­
ния (м) от р а с с м а т р и в а е м ы х т о ч е к до в ы б р а н н о й (единой) п л о с ­
кости с р а в н е н и я " э н е р г и я п о л о ж е н и я " . В с в я з и с о т н о с и т е л ь н о
м а л ы м и и з м е н е н и я м и с к о р о с т и д в и ж е н и я п о д з е м н ы х вод (от с е ­
ч е н и я к с е ч е н и ю ) с к о р о с т н о й н а п о р в д а н н о м случае может не
учитываться.
Тогда в к а ж д о й т о ч к е о б щ а я э н е р г и я п о т о к а п о д з е м н ы х вод
(напор) определяется в ы р а ж е н и е м
р
h + Z , м.
(5.7)
И = —+ Z
Y
2
При о п р е д е л е н и и н а п о р а п о д з е м н ы х вод (И) в качестве п л о с ­
кости сравнения может быть выбрана поверхность подстилающего
водоупора (в случае ее г о р и з о н т а л ь н о г о п о л о ж е н и я ) или л ю б а я
г о р и з о н т а л ь н а я поверхность. П р и п о л о ж е н и и п л о с к о с т и с р а в н е ­
н и я на п о в е р х н о с т и в о д о у п о р а н а п о р п о д з е м н ы х вод ч и с л е н н о
http://geoschool.web.ru
Глава 5. Д и н а м и к а и р е ж и м п о д з е м н ы х вод
119
равен м о щ н о с т и п о т о к а в д а н н о м с е ч е н и и (H = m
Н = т-,). В
реальных условиях п р и с р а в н е н и и н а п о р а п о д з е м н ы х вод в р а з ­
л и ч н ы х т о ч к а х п о т о к а в качестве е д и н о й п л о с к о с т и с р а в н е н и я
о б ы ч н о п р и н и м а е т с я у р о в е н ь М и р о в о г о о к е а н а ( Z = 0 ) . В этом
от­
случае (см. р и с . 5.2) величина н а п о р а (м) равна абсолютной
метке уровня, д о которого п о д н и м а е т с я вода под д е й с т в и е м гид­
р о с т а т и ч е с к о г о д а в л е н и я в р а с с м а т р и в а е м о й т о ч к е п о т о к а (так
н а з ы в а е м ы й установившийся
уровень воды). О ц е н к а н а п о р а в а б ­
с о л ю т н ы х отметках у с т а н о в и в ш е г о с я уровня воды является удоб­
ной п р и н е о б х о д и м о с т и с р а в н е н и я в е л и ч и н н а п о р а п о д з е м н ы х
вод, з а м е р е н н ы х в р а з л и ч н ы х точках п о д з е м н о й г и д р о с ф е р ы .
При д в и ж е н и и ж и д к о с т и в п о р и с т о й среде ( ф и л ь т р а ц и я ) или
д в и ж е н и и п о т о к а п о д з е м н ы х вод в е с т е с т в е н н о й с р е д е н а п о р
( э н е р г и я п о т о к а ) расходуется на п р е о д о л е н и е с и л т р е н и я ( с м .
формулу 5.5), в связи с чем п ь е з о м е т р и ч е с к и й н а п о р у м е н ь ш а е т с я
(на в е л и ч и н у АН) по н а п р а в л е н и ю д в и ж е н и я потока п о д з е м н ы х
вод. Т а к и м образом м о ж н о считать, что во всех случаях д в и ж е н и е
п о д з е м н ы х вод п р о и с х о д и т от области (участка, т о ч к и и др.) с
б о л ь ш и м н а п о р о м к области с м е н ь ш и м н а п о р о м (см. р и с . 5.2).
Потеря напора п о д з е м н ы х вод (АН, м) на участке между рас­
с м а т р и в а е м ы м и с е ч е н и я м и п о т о к а (см. р и с . 5.2), о т н е с е н н а я к
р а с с т о я н и ю между с е ч е н и я м и (L — д л и н а пути ф и л ь т р а ц и и , м),
называется градиентом пьезометрического
напора (напорным
гради­
ентом) и определяется из в ы р а ж е н и я
{
v
2
АН
.
//,-//,
АН
..
•dh/dx, п р и х = L - » 0. (5.8)
/ =—
=
= im Ах
L
L
Т а к и м о б р а з о м , з н а ч е н и е н а п о р н о г о градиента / характеризует
потерю пьезометрического
напора на единицу длины пути
фильтра­
ции. З н а к (-) в в ы р а ж е н и и (5.8) указывает, что в е л и ч и н а н а п о р а
у м е н ь ш а е т с я п о н а п р а в л е н и ю д в и ж е н и я п о д з е м н ы х вод (с увели­
ч е н и е м х).
!
5.2. Закон Дарси
О с н о в н о й закон ф и л ь т р а ц и и был э к с п е р и м е н т а л ь н о установлен
ф р а н ц у з с к и м гидравликом Анри Д а р с и (1803—1858) на о с н о в а н и и
о п ы т о в п о и с с л е д о в а н и ю д в и ж е н и я воды через трубки, з а п о л н е н ­
ные песком (см. р и с . 5.1). П о результатам этих о п ы т о в А. Д а р с и
с ф о р м у л и р о в а л в ы в о д ( з а к о н ) о т о м , что к о л и ч е с т в о воды (Q),
проходящее через трубку, з а п о л н е н н у ю д и с п е р с н ы м м а т е р и а л о м .
http://geoschool.web.ru
Часть I. П о д з е м н ы е в о д ы как э л е м е н т г и д р о с ф е р ы З е м л и
120
п р я м о п р о п о р ц и о н а л ь н о разности уровней (АН) в к р а й н и х с е ч е ­
ниях трубки, п р я м о п р о п о р ц и о н а л ь н о п л о щ а д и п о п е р е ч н о г о с е ­
чения трубки (F), о б р а т н о п р о п о р ц и о н а л ь н о д л и н е трубки (L —
д л и н а пути ф и л ь т р а ц и и ) и п р я м о п р о п о р ц и о н а л ь н о п о с т о я н н о м у
д л я д а н н о г о м а т е р и а л а к о э ф ф и ц и е н т у (А"), х а р а к т е р и з у ю щ е м у
п р о н и ц а е м о с т ь материала, з а п о л н я ю щ е г о трубку. Т а к и м о б р а з о м ,
в общем виде закон А. Д а р с и (основной закон ф и л ь т р а ц и и ) может
б ы т ь выражен ф о р м у л о й
Q = KF^-VjL
=
K
F ^ =
KFI,
(5.9)
2
где F — площадь поперечного сечения трубы, с м ; //, и Н — зна­
чения пьезометрического напора в крайних сечениях, см; L — д л и ­
на трубки (пути ф и л ь т р а ц и и ) , с м ; К — к о э ф ф и ц и е н т п р о п о р ц и о ­
н а л ь н о с т и , с м / с ; / — з н а ч е н и е н а п о р н о г о градиента; Q — расход
воды (потока), с м / с .
При о ц е н к е з н а ч е н и я расхода воды через е д и н и ч н о е п о п е р е ч ­
ное сечение потока
2
3
q
=
Н, - Я ,
K\ —Lj-^-=
m
Н. - Н
Kf—^-^-=
1
АН
Kf^= KmI,
(5.10)
где т — м о щ н о с т ь потока, с м , м; 1 m=f— п л о щ а д ь п о п е р е ч н о г о
с е ч е н и я потока п р и е д и н и ч н о й ш и р и н е , с м , м ; q — у д е л ь н ы й
или е д и н и ч н ы й расход потока, с м / с , м / с у т ; о с т а л ь н ы е о б о з н а ч е ­
н и я (см. 5.5).
При д е л е н и и обеих частей у р а в н е н и я (5.9) на п л о щ а д ь п о п е ­
речного с е ч е н и я потока (F) получаем
2
3
Q
2
3
Д//
=v=K
= К/,
(5.11)
г
L
где v — с к о р о с т ь ф и л ь т р а ц и и , с м / с , м/сут и т.д.
У р а в н е н и я (5.9), (5.10), (5.11) я в л я ю т с я р а з л и ч н ы м и ф о р м а м и
в ы р а ж е н и я о с н о в н о г о з а к о н а ф и л ь т р а ц и и , з а п и с а н н о г о соответ­
с т в е н н о о т н о с и т е л ь н о расхода потока Q, е д и н и ч н о г о расхода q и
скорости ф и л ь т р а ц и и v.
К о э ф ф и ц и е н т п р о п о р ц и о н а л ь н о с т и (К), характеризующий п р о ­
н и ц а е м о с т ь материала, з а п о л н я ю щ е г о трубку, б ы л назван А. Д а р с и
к о э ф ф и ц и е н т о м ф и л ь т р а ц и и ( в о д о п р о н и ц а е м о с т и ) (см. гл. 3). И з
в ы р а ж е н и я (5.11) следует, что к о э ф ф и ц и е н т в о д о п р о н и ц а е м о с т и
( к о э ф ф и ц и е н т фильтрации) в законе Дарси имеет размерность
с к о р о с т и (м/сут, с м / с и др.) и ч и с л е н н о равен с к о р о с т и ф и л ь т р а ­
ции при единичном (/=1) н а п о р н о м градиенте.
r
http://geoschool.web.ru
Глава 5. Д и н а м и к а и р е ж и м п о д з е м н ы х вод
121
Член у р а в н е н и я (5.10), я в л я ю щ и й с я п р о и з в е д е н и е м м о щ н о с т и
потока ( п л о щ а д и его п о п е р е ч н о г о с е ч е н и я / при ш и р и н е потока
равной 1) на значение водопроницаемости (А), называется проводи­
мостью (водопроводимостью, к о э ф ф и ц и е н т о м водопроводимости)
п о т о к а или пласта, к о т о р а я ч и с л е н н о р а в н а у д е л ь н о м у расходу
потока (а) при е д и н и ч н о м (J= 1) н а п о р н о м градиенте:
T=Km = q,
(5.12)
2
где Т — п р о в о д и м о с т ь пласта, м / с у т .
Границы применимости закона Дарси. О с н о в н о й з а к о н ф и л ь т ­
р а ц и и имеет ш и р о к у ю область п р и м е н е н и я и является с п р а в е д ­
л и в ы м д л я б о л ь ш и н с т в а е с т е с т в е н н ы х п о т о к о в п о д з е м н ы х вод,
характеризующихся в целом о т н о с и т е л ь н о н е в ы с о к и м и с к о р о с т я ­
ми ф и л ь т р а ц и и при л и н е й н о й з а в и с и м о с т и с к о р о с т и ф и л ь т р а ц и и
от н а п о р н о г о градиента. Н а р у ш е н и я л и н е й н о г о з а к о н а в связи с
увеличением скорости ф и л ь т р а ц и и (так называемый верхний предел
применимости з а к о н а Д а р с и ) характерны в о с н о в н о м д л я в ы с о к о ­
п р о н и ц а е м ы х п о р о д (карст, и н т е н с и в н а я т р е щ и н о в а т о с т ь и др.) и
главным образом при резкой и н т е н с и ф и к а ц и и ф и л ь т р а ц и о н н о г о
потока в локальных зонах вблизи искусственных сооружений
( с к в а ж и н ы , шахтные стволы и др.). Н а р у ш е н и е л и н е й н о г о з а к о н а
ф и л ь т р а ц и и с в я з а н о с с у щ е с т в е н н ы м п р о я в л е н и е м сил и н е р ц и и ,
о с о б е н н о п р и переходе от л а м и н а р н о г о т е ч е н и я к турбулентному.
Переход от л а м и н а р н о г о течения к турбулентному характеризуется
(в з а в и с и м о с т и от среды) о п р е д е л е н н ы м и з н а ч е н и я м и числа Р е й нольдса (/V ). П р и числе Рейнольдса в ы ш е к р и т и ч е с к о г о в о з м о ­
жен переход в турбулентное д в и ж е н и е (для д в и ж е н и я ж и д к о с т и в
трубе / V = 2100). П р и д в и ж е н и и жидкости в пористой среде ч и с ­
л о Рейнольдса определяется ( Р . де Уист) из в ы р а ж е н и я
R
R|<p
N
= ^ ,
(5.13)
и
где v — с к о р о с т ь ф и л ь т р а ц и и ; v — к о э ф ф и ц и е н т к и н е м а т и ч е ­
ской вязкости жидкости; d — э ф ф е к т и в н ы й диаметр. Тем са­
м ы м з н а ч е н и е числа Рейнольдса зависит от скорости ф и л ь т р а ц и и
и д и а м е т р а ч а с т и ц м и н е р а л ь н о г о скелета п о р о д ы , о п р е д е л я ю щ е г о
размеры пустот и, следовательно, п р о н и ц а е м о с т ь горной п о р о д ы .
П о д а н н ы м , п р и в о д и м ы м Р. де Уистом, з н а ч е н и е N
при к о ­
тором происходят о т к л о н е н и я от л и н е й н о г о з а к о н а ф и л ь т р а ц и и ,
и з м е н я е т с я в з а в и с и м о с т и от размера частиц и пористости горной
породы в пределах от 2 д о 5.
R
H)
Rl
http://geoschool.web.ru
Часть I. П о д з е м н ы е воды как элемент г и д р о с ф е р ы З е м л и
122
В о б о б щ е н н о й ф о р м е о с н о в н о й закон ф и л ь т р а ц и и выражается
(А. Д а р с и , Ф . Ф о р х г е й м е р ) д в у ч л е н н о й з а в и с и м о с т ь ю вида:
(5.14)
а
— фильтрационные параметры; К — к о э ф ф и л
циент фильтрации при ламинарном режиме; а — коэффициент
нелинейности фильтрации.
В области л и н е й н о й ф и л ь т р а ц и и при малых скоростях член bv
становится п р е н е б р е ж и м о малым п о с р а в н е н и ю с av, и может и с ­
пользоваться о с н о в н а я ф о р м а з а к о н а Д а р с и (I=av; v=KI). П р и
высоких скоростях ф и л ь т р а ц и и член av становится весьма малым
в с р а в н е н и и с bv (I=bv , v = KavJ7 — ф о р м у л а Ш е з и — К р а с н о польского). Учет н е л и н е й н о с т и ф и л ь т р а ц и и необходим п р и з н а ­
чениях av, с о и з м е р и м ы х с е д и н и ц е й .
где а= — и Ь=
Л
2
2
2
Способы определения параметра нелинейности а и критической скорости
фильтрации и рассматриваются в работах В.А. Мироненко и В.М. Шестакова.
При очень малых скоростях фильтрации в тонкодисперсных
породах н а р у ш е н и е з а к о н а Д а р с и (нижний предел
применимости)
связано с проявлением сил молекулярного взаимодействия час­
т и ц воды и п о р о д ы п р и в я з к о п л а с т и ч н о м характере т е ч е н и я воды
в с у б к а п и л л я р н ы х пустотах. П о с у щ е с т в у ю щ и м п р е д с т а в л е н и я м
(Гавич, 1988), ф и з и ч е с к и с в я з а н н а я вода, з а п о л н я ю щ а я с у б к а п и л ­
л я р н ы е пустоты, остается н е п о д в и ж н о й д о о п р е д е л е н н ы х , доста­
т о ч н о б о л ь ш и х , з н а ч е н и й н а п о р н о г о градиента (/ — н а ч а л ь н ы й
градиент ф и л ь т р а ц и и ) . П р и / > / п р о и с х о д и т с л о ж н о е д в и ж е н и е
с постепенно у в е л и ч и в а ю щ и м с я з н а ч е н и е м п р о н и ц а е м о с т и горной
породы (А"), п о с к о л ь к у увеличение градиента определяет переход
в подвижное состояние дополнительных количеств связанной
воды. П р и / ^ / " ( п р е д е л ь н о е з н а ч е н и е н а ч а л ь н о г о г р а д и е н т а )
все в о з м о ж н о е количество с в я з а н н о й воды вовлекается в д в и ж е ­
ние и о с н о в н о й з а к о н ф и л ь т р а ц и и м о ж е т б ы т ь з а п и с а н в виде
(рис. 5.3)
()
0
р
( |
(5.15)
П о другим п р е д с т а в л е н и я м ( И . А . Б р и л л и н г , В . М . Гольдберг,
Н . П . С к в о р ц о в ) , ф и л ь т р а ц и я в т о н к о д и с п е р с н ы х породах п р о и с ­
ходит при всех з н а ч е н и я х н а п о р н о г о градиента (кривая проходит
через начало к о о р д и н а т , с м . р и с . 5.3, 5.4), о д н а к о в области о ч е н ь
http://geoschool.web.ru
123
Глава 5. Д и н а м и к а и р е ж и м п о д з е м н ы х вод
Рис. 5.3. Графические выражения осионного закона фильтрации
/ — линейный закон фильтрации Дар­
си; 2 — двухчленный закон с учетом
нелинейности на верхнем пределе при­
менимости; 3, 4 — закон с учетом вязкопластичеекого течения па нижнем
пределе примени моста
V
малых значении напорного гра­
диента это д в и ж е н и е не ф и к с и ­
руется при современной технике
лабораторных экспериментов.
Величина начального напорного
J
градиента (/,,") определяет в этом
случае т о л ь к о о б л а с т ь н а р у ш е ния л и н е й н о г о закона фильтра­
ц и и ( н и ж н и й предел п р и м е н и м о с т и ) . П р и / > / * ф и л ь т р а ц и я в
т о н к о д и с п е р с н ы х породах подчиняется закону Д а р с и в его о с н о в ­
ной ф о р м е .
()
По данным В.М. Гольдберга и Н.П. Скворцова. значение начального напор­
ного градиента (/ ) при фильтрации в глинах изменяется от долей единицы до
ЮО п более. Величина начального градиента зависит от многих причин: темпера­
туры, минералогического состава породы, ее дисперсности, структуры порового
пространства (пористость, проницаемость), минерализации и химического состава
фильтрующейся жидкости и др. Не исключается, например, что при температурах
среды выше 80—90"С явление начального градиента может вообще отсутствовать.
(|
Под миграцией подземных вод в гидрогеологии о б ы ч н о п о н и м а ­
ют как собственное д в и ж е н и е подземных вод, так и перенос веще­
ства и тепла с п о д з е м н ы м и водами с учетом ф и з и к о - х и м и ч е с к и х
процессов и теплообмена, в определенной мере и з м е н я ю щ и х мас­
су растворенного вещества, а также температуру подземных вод и
в м е щ а ю щ е й среды ( Ш с с т а к о в , 1979; Гавич, 1988). В о т л и ч и е от
д в и ж е н и я с о б с т в е н н о п о д з е м н ы х вод ( ф и л ь т р а ц и я , влагоперенос)
под м и г р а ц и е й будем п о н и м а т ь здесь т о л ь к о процессы переноса
вещества и тепла с п о д з е м н ы м и водами ( т е п л о - и м а с с о п е р е н о с ) .
В потоке п о д з е м н ы х вод (в д в и ж у щ е й с я п о д з е м н о й воде) о с н о в ­
ной ф о р м о й м и г р а ц и и я в л я е т с я т а к н а з ы в а е м ы й
конвективный
перенос с ч а с т и ц а м и ( п о т о к о м ) ф и л ь т р у ю щ и х с я п о д з е м н ы х вод.
Скорость конвективного тепло- и массопереноса определяется
действительной скоростью д в и ж е н и я подземных вод (и), характе­
ризующей скорость п е р е м е щ е н и я частиц воды в порах и трещинах
горной породы. О с н о в н ы м и ф и з и к о - х и м и ч е с к и м и процессами,
о с л о ж н я ю щ и м и конвективный перенос, являются сорбция ве-
http://geoschool.web.ru
124
Часть I. П о д з е м н ы е воды как элемент г и д р о с ф е р ы З е м л и
ществ, п е р е н о с и м ы х водой, на поверхности м и н е р а л ь н ы х частиц
п о р о д ы , р а с т в о р е н и е (переход в ж и д к у ю фазу) о п р е д е л е н н ы х м и ­
н е р а л ь н ы х с о е д и н е н и й горных п о р о д и т е п л о о б м е н между п о д ­
з е м н о й водой и в м е щ а ю щ е й средой.
Другим видом миграции является диффузионный перенос, о п р е ­
д е л я е м ы й з а к о н о м Ф и к а и о б щ и м у р а в н е н и е м теплоотдачи:
Q
= D F^-,
n
(5.16)
Q
M
T
= XF
,
(5.17)
где Q — д и ф ф у з и о н н ы й п о т о к вещества; D — к о э ф ф и ц и е н т
молекулярной д и ф ф у з и и в данной среде, м /сут; F — площадь
п о п е р е ч н о г о с е ч е н и я п о т о к а ; dC/dL — градиент к о н ц е н т р а ц и и ;
Q — т е п л о в о й к о н д у к т и в н ы й поток; X — к о э ф ф и ц и е н т т е п л о ­
п р о в о д н о с т и , к к а л / м • ч • град; dQ/dL — градиент т е м п е р а т у р ы .
Значение к о э ф ф и ц и е н т а молекулярной д и ф ф у з и и в зависимости
от типа среды и з м е н я е т с я в пределах от 10^* м / с у т ( с в о б о д н а я
среда) до Ю м / с у т в плотных глинах и аргиллитах; к о э ф ф и ц и е н т
т е п л о п р о в о д н о с т и в з а в и с и м о с т и от т и п а горных п о р о д от 0,15 д о
3,5 к к а л / м • ч • град ( Ш е с т а к о в , 1979). В связи с этим м о ж н о с ч и ­
тать, что в большинстве потоков подземных вод к о н в е к т и в н ы й п е ­
ренос осуществляется со значительно б о л ь ш и м и с к о р о с т я м и , чем
д и ф ф у з и о н н ы й . Т о л ь к о при ф и л ь т р а ц и и в весьма с л а б о п р о н и ц а ­
емых горных породах (К< 10^* м/сут) или при малых з н а ч е н и я х
н а п о р н о г о градиента (/< 0,0001) эти д в а вида т е п л о - и м а с с о п е р е носа могут оказаться с о и з м е р и м ы м и .
D
M
2
r
2
- 8
2
5.3. Режим и баланс подземных вод
Под режимом подземных вод п о н и м а ю т з а к о н о м е р н ы й процесс
изменения гидродинамических характеристик (напоры, скорости,
расходы), ф и з и ч е с к и х с в о й с т в (температура) и состава ( х и м и ч е ­
с к и й , газовый, б а к т е р и о л о г и ч е с к и й ) п о д з е м н ы х вод, ф о р м и р у ю ­
щ и й с я во в р е м е н и п о д д е й с т в и е м р а з л и ч н ы х е с т е с т в е н н ы х или
искусственных ф а к т о р о в . Режим подземных вод, ф о р м и р у ю щ и й с я
главным образом под действием естественных р е ж и м о о б р а з у ю щ и х
ф а к т о р о в , н а з ы в а е т с я ненарушенным,
и л и естественным,
режи­
м о м . В случае р е ш а ю щ е г о воздействия и с к у с с т в е н н ы х р е ж и м о о б ­
р а з у ю щ и х ф а к т о р о в (в результате р а з л и ч н ы х видов х о з я й с т в е н н о й
д е я т е л ь н о с т и ч е л о в е к а ) р е ж и м п о д з е м н ы х вод н а з ы в а е т с я пару-
http://geoschool.web.ru
Глава 5. Д и н а м и к а и р е ж и м п о д з е м н ы х вод
125
шенным, или антропогенным.
При совместном воздействии указан­
ных ф а к т о р о в может быть выделен с л а б о н а р у ш е н н ы й режим под­
з е м н ы х вод (естественно-антропогенный,
или
антропогенно-есте­
ственный, в зависимости от того, какая и м е н н о группа ф а к т о р о в
имеет р е ш а ю щ е е з н а ч е н и е ) .
Под режимообразующими факторами понимают природные
( и с к у с с т в е н н ы е ) процессы, к о т о р ы е о п р е д е л я ю т о с н о в н ы е и з м е н е ­
ния (во в р е м е н и ) у к а з а н н ы х в ы ш е х а р а к т е р и с т и к п о д з е м н ы х вод
(табл. 5.1.).
Таблица 5.1
Ф а к т о р ы ф о р м и р о в а н и я р е ж и м а п о д з е м н ы х вод
(по B.C. Ковалевскому)
Группа
Факторы
Космические
Солнечная активность, приливные силы
Луны и других планет
Метеорологические
Атмосферные осадки, температура и
влажность воздуха
Гидрологические
Режим поверхностных вод (реки, озера,
моря и др.)
Биогенные
Влияние растительности и живых орга­
низмов
Искусственные
Влияние хозяйственной деятельности
человека
Геологические
Денудация и эрозия
Геологические
Эпейрогенические колебания земной
коры, тектонические движения, совре­
менный вулканизм, землетрясения
Экзогенные
Эндогенные
Примечание
Д е й с т в и е у к а з а н н ы х ф а к т о р о в , п о м и м о характера и м а с ш т а б о в
п р о я в л е н и я самих процессов, в р е ш а ю щ е й степени зависит от режимообразующих условий. Под н и м и п о н и м а ю т ( B . C . Ковалевский)
ту п р и р о д н у ю обстановку (геологическая структура, рельеф, строе­
ние гидрогеологического разреза, распределение емкостных и фильт­
р а ц и о н н ы х с в о й с т в г о р н ы х пород и др.), которая с у щ е с т в е н н о не
м е н я я с ь (в п е р и о д н а б л ю д е н и й ) , о п р е д е л я е т характер воздействия
р е ж и м о о б р а з у ю щ и х ф а к т о р о в и тем с а м ы м обусловливает о с о б е н ­
ности р е ж и м а п о д з е м н ы х вод.
Группа экзогенных ф а к т о р о в , в том числе искусственных (антро­
погенных), наиболее с у щ е с т в е н н о проявляется в р е ж и м е подзем­
ных вод верхних водоносных горизонтов, о д н а к о в определенных
условиях их воздействие может ф и к с и р о в а т ь с я до глубин п о р я д к а
http://geoschool.web.ru
126
Часть I. П о д з е м н ы е воды как элемент г и д р о с ф е р ы З е м л и
500 м и более. В то же время на п л о щ а д я х разведки и эксплуата­
ции н е ф т я н ы х и газовых м е с т о р о ж д е н и й , участках глубокого за­
х о р о н е н и я ж и д к и х п р о м ы ш л е н н ы х отходов или с о о р у ж е н и я под­
з е м н ы х г а з о х р а н и л и щ и н т е н с и в н о е воздействие а н т р о п о г е н н о г о
ф а к т о р а может проявляться до глубины н е с к о л ь к о тысяч метров.
В о п р е д е л е н н ы х условиях на р е ж и м п о д з е м н ы х вод верхних водо­
н о с н ы х г о р и з о н т о в весьма р е з к о в ы р а ж е н н о е воздействие могут
о к а з ы в а т ь и ф а к т о р ы эндогенной группы ( з е м л е т р я с е н и я , с о в р е ­
м е н н ы й вулканизм и др.).
По характеру изучаемых (наблюдаемых) показателей различают
три о с н о в н ы х типа р е ж и м а п о д з е м н ы х вод: I)
гидродинамический
режим, характеризуемый и з м е н е н и я м и н а п о р о в (уровней), с к о р о с ­
тей и расходов п о т о к о в п о д з е м н ы х вод; 2) геотермический,
харак­
теризуемый и з м е н е н и е м температуры п о д з е м н ы х вод; 3) гидрогео­
химический,
о т р а ж а ю щ и й и з м е н е н и я м и н е р а л и з а ц и и , химического
и газового состава п о д з е м н ы х вод.
Н а б л ю д е н и я за р е ж и м о м п о д з е м н ы х вод о с у щ е с т в л я ю т с я на
е с т е с т в е н н ы х в о д о п р о я в л е н и я х ( п р и выходе п о д з е м н ы х вод на
п о в е р х н о с т ь з е м л и ) или в и с к у с с т в е н н ы х г о р н ы х в ы р а б о т к а х ,
в с к р ы в а ю щ и х п о д з е м н ы е воды. Н а б л ю д е н и я п р о в о д я т с я путем
дискретного (во времени) о п р о б о в а н и я , в ы п о л н я е м о г о через о п р е ­
д е л е н н ы е интервалы времени или с использованием с а м о з а п и с ы ­
вающих устройств, обеспечивающих непрерывную регистрацию
о п р е д е л е н н о й х а р а к т е р и с т и к и р е ж и м а п о д з е м н ы х вод. Результаты
наблюдений представляются в виде таблиц р е ж и м н ы х характерис­
т и к или в виде х р о н о л о г и ч е с к и х г р а ф и к о в (рис. 5.4).
Д а н н ы е р е ж и м н ы х н а б л ю д е н и й ш и р о к о используются при и с ­
следовании закономерностей формирования различных типов
п о д з е м н ы х вод, о п е н к е ф и л ь т р а ц и о н н ы х и е м к о с т н ы х параметров
горных пород, р е ш е н и и вопросов использования и охраны подзем­
ных вод, разработке гидрогеологических прогнозов в естественных
и н а р у ш е н н ы х условиях и др.
Балансом п о д з е м н ы х вод н а з ы в а е т с я с о о т н о ш е н и е п р и т о к а и
оттока п о д з е м н ы х вод л ю б о г о (расчетного) э л е м е н т а п о д з е м н о й
г и д р о с ф е р ы . Водный баланс л ю б ы м образом о г р а н и ч е н н о г о э л е ­
мента подземной гидросферы, при условии сохранения объема эле­
мента и е м к о с т н ы х х а р а к т е р и с т и к с л а г а ю щ и х его горных пород
(в течение геологического времени в о з м о ж н ы и з м е н е н и я этих ве­
л и ч и н ) , выражается о б щ и м у р а в н е н и е м вида
X ( £ j A f ) ± A K = 0,
i
http://geoschool.web.ru
(5.18)
Глава 5. Д и н а м и к а и р е ж и м п о д з е м н ы х вод
http://geoschool.web.ru
127
Часть I. П о д з е м н ы е воды как элемент г и д р о с ф е р ы З е м л и
128
где QjAt — сумма приходных и расходных статей водного баланса
элемента: (+) — приток, (-) — отток подземных вод, м /сут, к м / г о д
и др.; At — длительность расчетного периода (сут, год и др.); Д К —
изменение объема запасов подземных вод ( м , к м ) .
3
3
3
3
Термин "запасы подземных вод" используется в гидрогеологии в разных зна­
чениях (см. гл. 14). В этом случае пол запасами подземных вод понимается об­
щий объем воды, содержащейся в рассматриваемом элементе гидросферы
(У = (о V), где оз — полная влагоемкость. V — объем элемента, V — естествен­
ные запасы подземных вод или геологические запасы (по Б.И. Куделину). В том
случае, если за расчетный период времени (при постоянном объеме и емкости
элемента) не происходит изменения запасов подземных вод (V = const), уравнеп
(1
(|
)
a
n
п
ние (5.18) принимает вид: ^Q^t
= 0. поскольку в этом случае величины при-
1
тока и отгока подземных вод за любой расчетный период равны между собой.
П р и т о к п о д з е м н ы х вод к р а с с м а т р и в а е м о м у э л е м е н т у (+) —
п о с т у п л е н и е , п о п о л н е н и е з а п а с о в , приходные
статьи
водного
баланса — называется о б ы ч н о питанием п о д з е м н ы х вод), (-) —
отток, сработка з а п а с о в , расходные статьи баланса — разгрузкой
п о д з е м н ы х вод.
Конкретный вид уравнения водного баланса определяется строе­
нием рассматриваемого элемента гидросферы, его размерами, гид­
родинамическими условиями на границах элемента и, как правило,
является з н а ч и т е л ь н о более с л о ж н ы м (см. гл. 2).
Подземный сток. П о д подземным стоком п о н и м а е т с я п р о ц е с с
д в и ж е н и я гравитационных подземных вод в зоне полного н а с ы щ е ­
ния з е м н о й коры (см. р и с . 2.1), ф о р м и р у ю щ и й с я к а к часть о б щ е ­
го круговорота воды на Земле (гидрологическая ветвь п о д з е м н о г о
круговорота в о д ы ) . Ч и с л е н н о п о д з е м н ы й сток м о ж е т б ы т ь оха­
рактеризован расходом п о д з е м н ы х вод (приток п о д з е м н ы х вод к
г р а н и ц а м р а с с м а т р и в а е м о г о э л е м е н т а или отток через г р а н и ц ы )
( м / с у т , к м / г о д и д р . ) , а также у д е л ь н ы м и х а р а к т е р и с т и к а м и {ли­
нейным, площадным, или объемным модулем п о д з е м н о г о стока):
3
3
М
^
=
Т
м
»
=
т
м
^
=
(
т
5
1
9
)
где Л/,— л и н е й н ы й модуль п о д з е м н о г о стока, х а р а к т е р и з у ю щ и й
р а с х о д п о т о к а на I км л и н е й н о й г р а н и ц ы р а с ч е т н о г о р а й о н а
(участка), л / с - к м . ; М — п л о щ а д н о й модуль п о д з е м н о г о стока —
расход на 1 к м п л о щ а д и р а с ч е т н о г о р а й о н а , л / с • к м ; М —
о б ъ е м н ы й модуль п о д з е м н о г о стока — расход п о д з е м н ы х вод на
1 к м р а с с м а т р и в а е м о г о элемента л и т о с ф е р ы , л / с • к м ; L — д л и н а
л и н е й н о й г р а н и ц ы , к м ; F — п л о щ а д ь расчетного элемента ( р а й о ­
на), к м ; К — объем элемента п о д з е м н о й г и д р о с ф е р ы , к м .
п
2
2
у
3
3
2
3
http://geoschool.web.ru
Глава 5. Д и н а м и к а и р е ж и м п о д з е м н ы х вод
129
В ы р а ж е н и я в м о д у л ь н о й ф о р м е , о с о б е н н о в виде п л о щ а д н о г о
модуля (М ), у д о б н ы п р и н е о б х о д и м о с т и с р а в н е н и я р а с п р е д е л е ­
ния в е л и ч и н п о д з е м н о г о стока на п л о щ а д и двух и л и н е с к о л ь к и х
районов.
П л о щ а д н а я х а р а к т е р и с т и к а п о д з е м н о г о стока может б ы т ь в ы ­
р а ж е н а т а к ж е слоем подземного
стока, п р е д с т а в л я ю щ и м с о б о й
с л о й воды ( м м ) на в с ю п л о щ а д ь р а с с м а т р и в а е м о г о р а с ч е т н о г о
элемента (района) за о п р е д е л е н н ы й период в р е м е н и . П л о щ а д н о й
модуль и годовой с л о й п о д з е м н о г о стока с в я з а н ы между с о б о й
простым соотношением:
и
^ , = 31,5ЛУ ,
(5.20)
П
где Y — слой п о д з е м н о г о стока, м м / г о д ; М — п л о щ а д н о й м о ­
дуль п о д з е м н о г о стока, л / с - к м ; 31,5 — к о э ф ф и ц и е н т , у ч и т ы в а ю ­
щий размерность величин.
П о м и м о в е л и ч и н модуля и слоя п о д з е м н ы й с т о к может б ы т ь
выражен также относительной характеристикой — коэффициентом
подземного
стока:
u
П
2
£=-Д-100%,
х
(5.21)
где К — к о э ф ф и ц и е н т подземного стока, р а в н ы й о т н о ш е н и ю го­
дового слоя подземного стока (мм/год) к годовой сумме а т м о с ф е р ­
ных о с а д к о в ( м м / г о д ) .
К о э ф ф и ц и е н т п о д з е м н о г о стока ( п о смыслу) характеризует ту
часть (%) а т м о с ф е р н ы х о с а д к о в , которая расходуется н а ф о р м и ­
рование п о д з е м н о г о стока р а с с м а т р и в а е м о г о района.
И н т е н с и в н о с т ь подземного стока в л ю б о м элементе подземной
гидросферы может быть охарактеризована также сроком водообмена
и коэффициентом
водообмена ( Г . Н . К а м е н с к и й ) . С р о к в о д о о б м е н а
рассчитывается к а к о т н о ш е н и е геологических з а п а с о в п о д з е м н ы х
вод р а с с м а т р и в а е м о г о э л е м е н т а п о д з е м н о й г и д р о с ф е р ы ( о б ъ е м
воды — У м , к м ) к с у м м а р н о м у расходу ( с у м м а р н ы й п р и т о к к
границам расчетного элемента или суммарный отток через границы,
м /год, км /год):
п
3
3
в
3
3
V
т
J . год
(5.22)
и характеризует д л и т е л ь н о с т ь п е р и о д а (число л е т ) , за время к о т о ­
рого может п р о и з о й т и п о л н о е в о з о б н о в л е н и е ( п о л н ы й о д н о к р а т ­
н ы й в о д о о б м е н — о д и н ц и к л в о д о о б м е н а ) о б ъ е м а геологических
http://geoschool.web.ru
130
Часть I. П о д з е м н ы е воды как э л е м е н т г и д р о с ф е р ы З е м л и
з а п а с о в п о д з е м н ы х вод р а с с м а т р и в а е м о г о э л е м е н т а п о д з е м н о й
гидросферы за счет притока п о д з е м н ы х вод к его г р а н и ц а м .
Срок водообмена является удобной количественной характеристикой при не­
обходимости сравнения интенсивное™ процессов движения подземных вод (во­
дообмена) в различных элементах подземной гидросферы. Он. строго говоря, не
характеризует период, за который обязательно произойдет полное возобновление
подземных вод. содержащихся в рассматриваемом элементе гидросферы, посколь­
ку при сложном строении элемента интенсивность движения подземных вод в
разных его частях может быть различной. Однако срок водообмена характеризует
период, в течение которою такое возобновление потенциально может произойти,
так как суммарный расход за л о т период будет равен объему подземных вод, содер­
жащемуся в рассматриваемом элементе гидросферы. Расчеты сроков водообмена
во всех случаях должны производиться для элементов подземной гидросферы,
ограниченных естественными границами или имеющих сопоставимые размеры
(объем расчетных блоков), поскольку при условной разбивке элемента на расчет­
ные блоки срок водообмена не является объективной характеристикой интенсив­
ности движения подземных вод (т —> 0 при V—>0).
Коэффициент
водообмена
к
т
выражается о т н о ш е н и е м
=9-,
у
I
ГОД
(5.23)
и является х а р а к т е р и с т и к о й , которая показывает, какая часть от
суммарного объема подземных вод (%, доли единицы) может возоб­
новиться в течение года в результате суммарного притока (оттока)
п о д з е м н ы х вод к г р а н и ц а м р а с с м а т р и в а е м о г о элемента.
Потоки подземных вод. При анализе з а к о н о м е р н о с т е й д в и ж е н и я
п о д з е м н ы х вод п о д з е м н а я часть г и д р о с ф е р ы планеты (геогидро­
сфера) рассматривается как сложная система (совокупность) в раз­
л и ч н о й степени взаимосвязанных
потоков подземных вод (см. гл. 2).
Представление о потоках подземных вод рассмотрено Г.Н. К а м е н ­
с к и м , Н . И . Ходжибаевым и о с о б е н н о подробно В.М. Ш е с т а к о в ы м
(1979). В отличие от этих представлений под потоком подземных
вод будем п о н и м а т ь ограниченный
естественными
границами
эле­
мент подземной гидросферы с единым направлением (едиными направ­
л е н и я м и ) движения подземных вод.
В гилрогеолинамикс (В.М. Шестаков, И.К. Гавич) термин "поток подземных
вод" используется как более общее понятие, применимое к любым образом огра­
ниченному (выделенному) элементу подземной гидросферы. Однако в этом случае
правильнее говорить не о потоке, а о балансово-гидродинамическом элементе
подзем ной гидросферы.
Все естественные г р а н и ц ы п о т о к о в п о д з е м н ы х вод подразделя­
ются на г р а н и ц ы двух т и п о в : т а к н а з ы в а е м ы е непроницаемые
гра­
н и ц ы , и з о л и р у ю щ и е с м е ж н ы е потоки п о д з е м н ы х вод, и у с л о в н ы е
е с т е с т в е н н ы е г р а н и ц ы , через к о т о р ы е в о з м о ж н о
взаимодействие
http://geoschool.web.ru
Глава 5. Д и н а м и к а и р е ж и м п о д з е м н ы х вод
131
( н а л и ч и е расхода) двух с м е ж н ы х п о т о к о в п о д з е м н ы х вод. Естест­
в е н н ы м и н е п р о н и ц а е м ы м и г р а н и ц а м и п о т о к о в я в л я ю т с я водораз­
делы, под к о т о р ы м и а н а л о г и ч н о п о в е р х н о с т н ы м водоразделам п о ­
н и м а ю т с я л и н и и с н а и б о л е е в ы с о к и м п о л о ж е н и е м поверхности
подземных вод, разделяющие потоки с различными направлениями
д в и ж е н и я , д р е н ы , и г р а н и ц ы (контакты) в о д о н о с н ы х и с л а б о п р о ­
н и ц а е м ы х пород.
Границы водоносных и с л а б о п р о н и ц а е м ы х пород являются о с ­
н о в н ы м т и п о м границ потока в разрезе и реже границами потоков
в плане (по п л о щ а д и р а с п р о с т р а н е н и я ) . В б о л ь ш и н с т в е случаев
границы подобного типа не являются а б с о л ю т н о н е п р о н и ц а е м ы ­
ми, и через них осуществляется затрудненное взаимодействие двух
с м е ж н ы х п о т о к о в п о д з е м н ы х вод (см. гл. 8).
В качестве естественных г р а н и ц второго типа (с условием вза­
и м о д е й с т в и я двух с м е ж н ы х п о т о к о в п о д з е м н ы х вод) о б ы ч н о р а с ­
сматриваются границы геологических структур, геологических
ф о р м а ц и й , с у б ф о р м а ц и й и л и т о г е н е т и ч е с к и х к о м п л е к с о в горных
пород, г р а н и ц ы г е о м о р ф о л о г и ч е с к и х э л е м е н т о в с о в р е м е н н о й п о ­
верхности и др.
В связи с многообразием естественных границ потоков подземных вод и от­
сутствием четких представлений о принципах их выделения понятие "поток под­
земных вод" до настоящего времени используется главным образом как термин
свободного пользования. Отсутствуют четкие представления о типах естественных
потоков подземных вод и их соподчинении (потоки I, 2, 3 и друтих порядков).
Понятия о мегапопюках, вложенных потоках и др. (В.М. Шесгаков) являются в
значительной мере условными.
Гидродинамическая сетка потока подземных вод. При наличии в
пределах р а с с м а т р и в а е м о г о потока о п р е д е л е н н о г о количества т о ­
чек с известными з н а ч е н и я м и пьезометрического напора (рис. 5.5)
эти точки (или п р о м е ж у т о ч н ы е , о п р е д е л я е м ы е путем и н т е р п о л я ­
ции) могут быть с о е д и н е н ы п л а в н ы м и кривыми л и н и я м и — линии
равного напора (Н= const).
Л и н и и , проведенные нормально к л и н и я м равного напора, обоб­
щ е н н о х а р а к т е р и з у ю щ и е н а п р а в л е н и е д в и ж е н и я п о д з е м н ы х вод
на д а н н о м участке п о т о к а (от области с б о л ь ш и м и н а п о р а м и к
области с м е н ь ш и м и н а п о р а м и ) , называются линиями
токов.
С и с т е м а в з а и м н о о р т о г о н а л ь н ы х л и н и й тока и л и н и й равного
напора образует гидродинамическую
сетку потока п о д з е м н ы х вод.
Участок сетки, ограниченный двумя соседними л и н и я м и тока,
называется лентой
тока.
Я ч е й к а , о б р а з о в а н н а я при п е р е с е ч е н и и двух л и н и й т о к о в с
двумя л и н и я м и р а в н о г о н а п о р а , называется элементом гидроди­
н а м и ч е с к о й сетки (рис. 5.5).
http://geoschool.web.ru
Часть I. П о д з е м н ы е в о д ы как э л е м е н т г и д р о с ф е р ы З е м л и
132
Рис. 5.5. Гидродинамическая сетка по­
тока подземных вод
/ — линии равного напора; 2 — линии
токов; 3 — лента тока; 4 — точки с из­
меренной величиной напора (Я) под­
земных вод
При построении гидродина­
м и ч е с к о й сетки н е о б х о д и м о с о ­
блюдение следующих основных
правил (Гавич, 1983):
1) линии токов проюдятся нор­
мально к л и н и я м равных напоров,
так чтобы о б р а з у ю щ и е с я я ч е й к и
(элементы сетки) я в л я л и с ь в о б ­
щем случае криволинейными квад­
ратами или п р я м о у г о л ь н и к а м и ;
2) л и н и и р а в н о г о н а п о р а п р о в о д я т с я через о д и н а к о в ы е и н т е р ­
валы н а п о р а (АН), к о т о р ы е в ы б и р а ю т с я п р о и з в о л ь н о с о г л а с н о
з а в и с и м о с т и Н° = аАН, где Н°=Н
(Я
, # ) - н а п о р ы на
границах р а с с м а т р и в а е м о й области п о т о к а ) , а — ч и с л о п р и н я т ы х
интервалов.
ШКС
м а к с
м и н
Гидродинамическая сетка является основой для проведения
расчетов скоростей и расходов ф и л ь т р а ц и о н н о г о потока. В преде­
лах каждого э л е м е н т а сетки (ленты тока)
у
О
=
к
>
»;>»•
-
л
А
Л /
.
т
^
2
=
h
к
1
1 ^
: » ^ l ,
(
5
-
2
4
)
^.25)
где Wj — м о щ н о с т ь потока в пределах р а с с м а т р и в а е м о г о э л е м е н т а
сетки или ленты тока, м; Ь. — ш и р и н а элемента или л е н т ы тока, м;
остальные о б о з н а ч е н и я — в тексте.
Характер д е ф о р м а ц и и гидродинамической сетки в пространстве
о п р е д е л я е т т а к н а з ы в а е м у ю структуру фильтрационного
потока.
Естественные п о т о к и п о д з е м н ы х вод в б о л ь ш и н с т в е случаев я в ­
л я ю т с я п о т о к а м и трехмерными
(пространственными), в которых
г и д р о д и н а м и ч е с к а я сетка д е ф о р м и р у е т с я п о т р е м к о о р д и н а т а м .
Более п р о с т ы м и п о структуре я в л я ю т с я двухмерные (плоские) п о ­
т о к и , для к о т о р ы х п р и н и м а е т с я , что д е ф о р м а ц и я г и д р о д и н а м и ­
ческой сетки п р о и с х о д и т в о с н о в н о м по двум п р о с т р а н с т в е н н ы м
http://geoschool.web.ru
Глава 5. Д и н а м и к а и р е ж и м п о д з е м н ы х вод
133
к о о р д и н а т а м . П р и этом поток, р а с с м а т р и в а е м ы й в разрезе, н а з ы ­
вается профильным ( п л о с к о в е р т и к а л ь н ы м ) и поток, р а с с м а т р и в а е ­
м ы й в п л а н е , — плановым ( п л о с к о п л а н о в ы м ) . В том случае, если
л и н и и т о к о в (следовательно, и л и н и и р а в н ы х н а п о р о в ) р а с п о л а ­
гаются п а р а л л е л ь н о друг другу, п о т о к н а з ы в а е т с я
параллельным
( п л о с к о п а р а л л е л ь н ы м ) . П р и р а с п о л о ж е н и и л и н и й равного н а п о р а
в виде к о н ц е н т р и ч е с к и х о к р у ж н о с т е й п о т о к называется радиаль­
ным ( р а д и а л ь н о с х о д я щ и й с я , р а д и а л ь н о р а с х о д я щ и й с я ) .
Большинство естественных плоских потоков являются потока­
ми с л о ж н о й к о н ф и г у р а ц и и , и т о л ь к о на отдельных участках, о с о ­
б е н н о часто вблизи искусственных сооружений ( к а н а л ы , с к в а ж и н ы
и др.), о н и могут б ы т ь сведены к п а р а л л е л ь н ы м или р а д и а л ь н ы м
потокам.
В п л а н о в ы х потоках ( п л о с к и х в п л а н е ) учитывается в о с н о в ­
ном д е ф о р м а ц и я л и н и й тока в п л а н е , а в в е р т и к а л ь н о м с е ч е н и и
(в разрезе) поток принимается п л о с к о п а р а л л е л ь н ы м . Э т о допусти­
мо главным образом для потоков большой п р о т я ж е н н о с т и , д л и н а
к о т о р ы х з н а ч и т е л ь н о п р е в ы ш а е т их м о щ н о с т ь ( у с л о в н о / > 3 / и ) ,
что п о з в о л я е т не учитывать и з м е н е н и я н а п о р о в по в е р т и к а л и .
В плосковертикальных (профильных) потоках учитывается
т о л ь к о д е ф о р м а ц и я л и н и й тока в в е р т и к а л ь н о й п л о с к о с т и (в р а з ­
резе), а в п л а н е п о т о к п р и н и м а е т с я п л о с к о п а р а л л е л ь н ы м . П р и
этом ш и р и н а п р о ф и л ь н о г о п о т о к а (В) о б ы ч н о п р и н и м а е т с я р а в ­
ной I м.
Режим потока о п р е д е л я е т с я и з м е н е н и е м э л е м е н т о в п о т о к а
( с е т к и ) во в р е м е н и . П о характеру г и д р о д и н а м и ч е с к о г о р е ж и м а
потоки подразделяются на стационарные,
квазистационарные
и не­
стационарные.
Стационарными
(установившимися) называются
потоки п о д з е м н ы х вод, э л е м е н т ы к о т о р ы х не м е н я ю т с я во в р е м е ­
ни или эти и з м е н е н и я я в л я ю т с я н е с у щ е с т в е н н ы м и .
Квазистацио­
нарными — п о т о к и , в к о т о р ы х во всех точках п о т о к а и з м е н е н и е
н а п о р о в п о д з е м н ы х вод за р а с с м а т р и в а е м ы й п е р и о д (At) п р о и с х о ­
дит с о д н и м з н а к о м и на одну и ту же величину, в с в я з и с чем
к о н ф и г у р а ц и я г и д р о д и н а м и ч е с к о й сетки остается без и з м е н е н и й .
В б о л ь ш и н с т в е случаев р е ж и м е с т е с т в е н н ы х п о т о к о в п о д з е м ­
ных вод является нестационарным
(неустановившимся), посколь­
ку э л е м е н т ы п о т о к а ( к о н ф и г у р а ц и я г и д р о д и н а м и ч е с к о й сетки) в
той или и н о й мере и з м е н я ю т с я во в р е м е н и . О д н а к о во м н о г и х
случаях за к о н е ч н ы й ( р а с ч е т н ы й ) п е р и о д в р е м е н и р е ж и м е с т е ­
с т в е н н ы х п о т о к о в п о д з е м н ы х вод может р а с с м а т р и в а т ь с я в к а ч е ­
стве с т а ц и о н а р н о г о или к в а з и с т а ц и о н а р н о г о .
http://geoschool.web.ru
134
Часть I. П о д з е м н ы е воды как э л е м е н т г и д р о с ф е р ы З е м л и
Вопросы к главе 5
1. Фильтрационный
поток. Понятия "расход потока",
"единич­
ный расход потока". "скорость фильтрации",
"действитель­
ная скорость движения подземных
вод".
2. Напор и напорный градиент. Пьезометрическая
высота {И) и
расстояние до плоскости сравнения (z).
3. Формы выражения основного закона фильтрации
для расхода
потока, единичного расхода потока и скорости
фильтрации.
4. Понятие "проводимость"
{водопроводимость,
коэффициент
водопроводимости)
пласта.
5. "Верхний" и "нижний" пределы применимости закона Дарси.
6. Понятие "режим подземных вод". Основные типы
режима.
Формы выражения результатов режимных
наблюдений.
7. Общий вид уравнения водного баланса элемента подземной гид­
росферы.
8. "Модуль",
"слой" и "коэффициент"
подземного стока,
"срок
водообмена" и "коэффициент
водообмена".
9. Гидродинамическая
сетка потока подземных вод. Типы пото­
ков подземных вод по структуре и режиму.
Глава
6
КЛАССИФИКАЦИЯ ПОДЗЕМНЫХ
ВОД
Подземные воды являются с л о ж н ы м п р и р о д н ы м объектом, раз­
л и ч и я которого (условия залегания, ф и з и ч е с к и е свойства, сумма
р а с т в о р е н н ы х веществ и их состав, п р о и с х о ж д е н и е и др.) о п р е ­
д е л я ю т с я к о м п л е к с н ы м в л и я н и е м м н о г и х п р и ч и н и могут б ы т ь
выражены чрезвычайно резко. Подобное положение определяет
з н а ч и т е л ь н ы е трудности к л а с с и ф и ц и р о в а н и я как р а з л и ч н ы х т и ­
пов п о д з е м н ы х вод, так и п р и р о д н ы х ( ф и з и к о - г е о г р а ф и ч е с к и х ,
геологических и др.) условий, с к о т о р ы м и с в я з а н о ф о р м и р о в а н и е
о п р е д е л е н н ы х т и п о в п о д з е м н ы х вод. И м е н н о поэтому, несмотря
на м н о г о ч и с л е н н ы е п о п ы т к и , до н а с т о я щ е г о времени не разрабо­
т а н а е д и н а я к л а с с и ф и к а ц и я т и п о в п о д з е м н ы х вод, к о т о р а я бы
с в я з ы в а л а р а з л и ч н ы е т и п ы п о д з е м н ы х вод ( с о с т а в , с в о й с т в а и
др.) с к о м п л е к с о м п р и р о д н ы х ф а к т о р о в (условий), о п р е д е л я ю щ и х
ф о р м и р о в а н и е п о д з е м н ы х вод д а н н о г о т и п а . В с в я з и с э т и м в
гидрогеологической литературе используются главным образом
ч а с т н ы е к л а с с и ф и к а ц и и , при с о с т а в л е н и и к о т о р ы х у ч и т ы в а е т с я
о д и н (или н е с к о л ь к о б л и з к и х по смыслу) показатель, х а р а к т е р и -
http://geoschool.web.ru
Глава 6. К л а с с и ф и к а ц и я п о д з е м н ы х вод
135
з у ю щ и й в ы д е л е н н ы е на этой о с н о в е р а з л и ч н ы е т и п ы ( п о д т и п ы ,
классы и др.) п о д з е м н ы х вод.
К числу х о р о ш о р а з р а б о т а н н ы х и ш и р о к о используемых к л а с ­
с и ф и к а ц и й о т н о с я т с я : I) к л а с с и ф и к а ц и и по в е л и ч и н е м и н е р а ­
л и з а ц и и ( с у м м е р а с т в о р е н н ы х в е щ е с т в ) ; 2) к л а с с и ф и к а ц и и по
химическому составу, учитывающие одну или несколько групп к о м ­
п о н е н т о в ( м а к р о к о м п о н е н т ы , м и к р о к о м п о н е н т ы , газовый состав
и др.); 3) по температуре (°С); 4) по типу в о д о в м е щ а ю щ и х пород;
5) по условиям залегания; 6) по п р о и с х о ж д е н и ю ; 7) по типу гид­
рогеологических структур; 8) по условиям ( в о з м о ж н о с т я м ) их и с ­
п о л ь з о в а н и я ч е л о в е к о м и др.
Одни из этих классификаций (I— 3) учитывают собственно разли­
чия состава и свойств подземных вод (различных типов подземных
вод). П р и м е р ы таких к л а с с и ф и к а ц и й р а с с м о т р е н ы в гл. 4. Другие
(4, 5) о т р а ж а ю т конкретные
условия ф о р м и р о в а н и я п о д з е м н ы х
вод, о п р е д е л я е м ы е т и п о м в о д о в м е щ а ю щ и х пород или с т р о е н и е м
и п о л о ж е н и е м д а н н о г о г и д р о г е о л о г и ч е с к о г о э л е м е н т а в разрезе
п о д з е м н о й г и д р о с ф е р ы . Третьи (6, 7) о б о б щ е н н о у ч и т ы в а ю т р а з ­
личие комплекса условий и процессов, определенным образом
м е н я ю щ и х с я в т е ч е н и е д л и т е л ь н о г о отрезка геологической исто­
рии (см. гл. 9, 10).
По типу водовмещающих пород подземные воды подразделяются
на поровые, трещинные и карстовые (О. М е й н ц е р , A . M . О в ч и н н и ­
ков и др.). В д а н н о м случае к л а с с и ф и к а ц и я учитывает г л а в н ы м
образом м о р ф о м е т р и ю и в м е н ь ш е й степени генезис с к в а ж н о с т и
горных пород, что в р е ш а ю щ е й степени определяет в е л и ч и н ы и
р а с п р е д е л е н и е ф и л ь т р а ц и о н н ы х и е м к о с т н ы х с в о й с т в и, следова­
т е л ь н о , п р о ц е с с ы ф и л ь т р а ц и и , водоотдачу пород и др. П р и н а л и ­
чии в породе н е с к о л ь к и х р а в н о з н а ч н ы х в и д о в с к в а ж н о с т и (что
определяется чаще условно) могут быть выделены воды трещиннопоровые, порово-трещинные,
трещинно-карстовые
и др. (см. гл. 3).
О т н о с и т е л ь н о реже и с п о л ь з у е т с я к л а с с и ф и к а ц и я , у ч и т ы в а ю щ а я
минералого-химический состав горных пород с выделением подзем­
ных вод т е р р и г е н н ы х о т л о ж е н и й , к а р б о н а т н ы х , г а л о г е н н ы х и др.
Н е с м о т р я на то что к л а с с и ф и к а ц и я п о д з е м н ы х вод по т и п у
в о д о в м е щ а ю щ и х п о р о д (воды п о р о в ы е , т р е щ и н н ы е , к а р с т о в ы е )
используется ш и р о к о , о н а является у с л о в н о й , п о с к о л ь к у не у ч и ­
тывает генетические особенности ф о р м и р о в а н и я скважинного
пространства в р а з л и ч н ы х типах горных пород.
В качестве собственно норового типа подземных вод обычно рассматриваются
воды, связанные с рыхлыми осадочными отложениями. Однако по типу скваж­
ное! и к норовым водам могут быть отнесены также воды, связанные с литифи-
http://geoschool.web.ru
136
Часть I. П о д з е м н ы е воды как э л е м е н т г и д р о с ф е р ы З е м л и
цированными осадочными породами, сохранившими первичную пористость
(песчаники, алевролиты и др.), с определенными типами карбонатных пород,
вулканогенными пористыми породами и др. Трещинная скважность (трещинова­
тость) существенно по-разному формируется (и распределяется в пространстве)
в породах осадочных или метаморфических и магматических и др.
В с в я з и с э т и м при изучении п р о ц е с с о в ф о р м и р о в а н и я и р а с ­
пределения ф и л ь т р а ц и о н н ы х и емкостных свойств водовмещающих
п о р о д их п р а в и л ь н е е р а с с м а т р и в а т ь в качестве р а з л и ч н ы х т и п о в
природных фильтрационных
сред (так н а з ы в а е м ы е г е о ф и л ь т р а ц и о н ­
н ы е среды) (см. гл. 3).
К л а с с и ф и к а ц и я п о д з е м н ы х вод по условиям залегания о с н о в а н а
на в ы д е л е н и и т и п о в п о д з е м н ы х вод, р а з л и ч и я которых (собствен­
н о р а з л и ч и е у с л о в и й их з а л е г а н и я и ф о р м и р о в а н и я ) с в я з а н ы с
р а з л и ч н ы м п о л о ж е н и е м в в е р т и к а л ь н о м разрезе п о д з е м н о й гид­
р о с ф е р ы (см. гл. 2), с р а з л и ч н ы м т и п о м с т р о е н и я гидрогеологи­
ческого разреза и в о п р е д е л е н н о й мере с р а з л и ч и е м состава в о д о ­
в м е щ а ю щ и х пород ( т и п а м и сред).
О с н о в н ы е р а з л и ч и я условий залегания п о д з е м н ы х вод с в я з а н ы
с н а л и ч и е м двух т и п о в г и д р о г е о л о г и ч е с к и х р а з р е з о в : р а з р е з о в ,
сложенных слоистыми толщами осадочных пород, и разрезов,
с л о ж е н н ы х н е с л о и с т ы м и ( м а с с и в н ы м и ) м а г м а т и ч е с к и м и и мета­
морфическими породами.
В качестве разрезов п р о м е ж у т о ч н о г о (переходного) типа могут
рассматриваться разрезы, сложенные м о щ н ы м и толщами литиф и ц и р о в а н н ы х и и н т е н с и в н о д и с л о ц и р о в а н н ы х осадочных пород
г о р н о - с к л а д ч а т ы х о б л а с т е й . В разрезах п о д о б н о г о т и п а у с л о в и я
залегания п о д з е м н ы х вод, как п р а в и л о , т а к ж е о п р е д е л я ю т с я р а з ­
витием трещиноватости различных генетических типов. Однако
н а л и ч и е с л о и с т о г о с т р о е н и я , характерного для о с а д о ч н ы х пород,
в ряде случаев с у щ е с т в е н н о влияет на условия залегания и ф о р ­
м и р о в а н и е п о д з е м н ы х вод (см. гл. 11).
Гидрогеологическое расчленение толщ слоистых осадочных
п о р о д о с н о в а н о на в ы д е л е н и и в в е р т и к а л ь н о м р а з р е з е о т н о с и ­
тельно обособленных элементов, сложенных породами разного
с о с т а в а , что о п р е д е л я е т з а к о н о м е р н ы е ( п о с л о й н ы е ) и з м е н е н и я
ф и л ь т р а ц и о н н ы х и е м к о с т н ы х п а р а м е т р о в горных пород, а т а к ж е
различную степень изоляции смежных водоносных интервалов
разреза ( н а л и ч и е с л а б о п р о н и ц а е м ы х разделов).
В качестве основных стратификационных элементов таких
разрезов о б ы ч н о рассматриваются: в о д о н о с н ы е и с л а б о п р о н и ц а е ­
м ы е слои, в о д о н о с н ы е горизонты и с л а б о п р о н и ц а е м ы е
разделяющие
пласты, в о д о н о с н ы е комплексы и с л а б о п р о н и ц а е м ы е
разделяющие
толщи (табл. 6.1).
http://geoschool.web.ru
Глава 6. К л а с с и ф и к а ц и я п о д з е м н ы х вод
137
Таблица 6.1
Стратификационные единицы слоистых гидрогеологических разрезов
Таксономические единицы гидрогеологического
разреза (порядок единиц)
Основное гид­
родинамическое
подразделение
разреза
I
II
Гидрогеоло­
гический этаж
Водоносная
серия
Водоносный
комплекс, слабо­
проницаемая
толща
III
IV
Водоносный
Водоносный
слой, слабо­
горизонт,
слабопрони­ проницаемый
слой
цаемый пласт
Э л е м е н т а р н о й т а к с о н о м и ч е с к о й е д и н и ц е й гидрогеологической
с т р а т и ф и к а ц и о н н о й ш к а л ы я в л я е т с я водоносный
(слабопроницае­
мый) слой, в качестве которого рассматривается в о д о н а с ы щ е н н ы й
слой горных п о р о д ( о с а д к о в ) , о д н о р о д н ы й в л и т о л о г о - ф а ц и а л ь ном о т н о ш е н и и и х а р а к т е р и з у ю щ и й с я в с в я з и с э т и м е д и н ы м и
(или б л и з к и м и по з н а ч е н и ю ) ф и л ь т р а ц и о н н ы м и с в о й с т в а м и . В
с л о ж н о п о с т р о е н н ы х разрезах с в к л и н и в а н и е м слоев на к о р о т к и х
р а с с т о я н и я х наряду с о с т р а т и ф и к а ц и о н н о й е д и н и ц е й " с л о й " р а с ­
сматривается обычно понятие водоносная (слабопроницаемая)
линза ( М . Е . Альтовский, А.С. Рябченков и др.). П о своему с м ы с л у
в о д о н о с н ы й ( с л а б о п р о н и ц а е м ы й ) слой является с т р а т и ф и к а ц и о н ­
ной единицей "локального" расчленения и может быть строго
выделен т о л ь к о в разрезе к о н к р е т н о й с к в а ж и н ы или о г р а н и ч е н ­
ного участка т е р р и т о р и и .
Основой выделения конкретных водоносных (слабопроницае­
мых) слоев в с л о ж н о п о с т р о е н н о м разрезе является единство литолого-фациального
состава пород. В этом с м ы с л е п р и р а с ч л е н е н и и
разреза м о ж н о говорить о выделении самостоятельных (даже с м е ж ­
ных) в о д о н о с н ы х слоев г а л е ч н и к о в , п е с к о в , и з в е с т н я к о в и л и с л а ­
бопроницаемых слоев глин, мергелей, диатомитов и др. Важно
также отметить, что даже при в ы д е л е н и и в с а м о с т о я т е л ь н ы е с л о и
о т л о ж е н и й е д и н о г о л и т о л о г о - ф а ц и а л ь н о г о состава к а ж д ы й к о н к ­
р е т н ы й слой может б ы т ь о х а р а к т е р и з о в а н е д и н ы м и и л и б л и з к и ­
ми з н а ч е н и я м и о с н о в н ы х гидрогеологических п а р а м е т р о в ( п о р и с ­
тость, к о э ф ф и ц и е н т ф и л ь т р а ц и и и др.), строго говоря, т о л ь к о д л я
о г р а н и ч е н н о г о по п л о щ а д и " л о к а л ь н о г о " участка.
С л е д у ю щ и м и п о з н а ч е н и ю (более к р у п н ы м и ) т а к с о н о м и ч е с к и ­
ми е д и н и ц а м и с т р а т и ф и к а ц и о н н о й ш к а л ы я в л я е т с я
водоносный
горизонт и слабопроницаемый
пласт.
Водоносный горизонт ( в о д о н о с н ы й пласт) п р е д с т а в л я е т с о б о й
монослой значительной м о щ н о с т и или систему гидравлически
связанных водоносных слоев с определенным площадным рас-
http://geoschool.web.ru
138
Часть I. П о д з е м н ы е воды как э л е м е н т г и д р о с ф е р ы З е м л и
п р о с т р а н е н и е м и е д и н ы м и у с л о в и я м и залегания п о д з е м н ы х вод.
Единство условий залегания п о д з е м н ы х вод предусматривает п о ­
л о ж е н и е в о д о н о с н о г о горизонта в о п р е д е л е н н о м интервапе р а з р е ­
за, а также н а л и ч и е четко в ы р а ж е н н ы х с л а б о п р о н и ц а е м ы х кровли
и п о д о ш в ы (свободной поверхности грунтовых вод и с л а б о в о д о ­
п р о н и ц а е м о й п о д о ш в ы ) , изолирующих рассматриваемый горизонт
от с м е ж н ы х в о д о н о с н ы х горизонтов ( в о д о н о с н ы х слоев) разреза.
П о своему с м ы с л у " в о д о н о с н ы й г о р и з о н т " является э л е м е н т а р ­
ной гидрогеологической единицей региональной стратификации
разреза, так как его в ы д е л е н и е всегда предусматривает не т о л ь к о
г р а н и ц ы в разрезе, но и известное или предполагаемое п о л о ж е ­
ние г р а н и ц горизонта в плане ( п л о щ а д н о е р а с п р о с т р а н е н и е ) . При
таком выделении определяющим признаком является
гидравли­
ческое единство горизонта
(системы гидравлически связанных
слоев), в а ж н е й ш и й показатель которого — отсутствие внутри го­
р и з о н т а в ы д е р ж а н н ы х с л а б о п р о н и ц а е м ы х слоев. Вторым п о к а з а ­
телем г и д р а в л и ч е с к о г о единства интервала разреза, в ы д е л я е м о г о
в качестве в о д о н о с н о г о г о р и з о н т а , я в л я е т с я его
относительная
изоляция от с м е ж н ы х в о д о н о с н ы х горизонтов (слоев), т.е. н а л и ч и е
о г р а н и ч и в а ю щ и х ( р а з д е л я ю щ и х ) с л а б о п р о н и ц а е м ы х пластов.
В связи с этим не выделяются в с а м о с т о я т е л ь н ы е горизонты
слои, характеризующиеся только существенными фаииально-лит о л о г и ч е с к и м и о с о б е н н о с т я м и : п е с ч а н и к и , и з в е с т н я к и и другие
породы гидравлически не р а з о б щ е н н ы е друг от друга, так как в
этом случае более п р а в и л ь н о говорить о д в у х с л о й н о м , т р е х с л о й ­
ном и другом с т р о е н и и пласта (горизонта).
В качестве слабопроницаемого
пласта ( р а з д е л я ю щ и й пласт) м о ­
жет рассматриваться о д н о р о д н ы й слой с л а б о п р о н и ц а е м о й п о р о ­
д ы з н а ч и т е л ь н о й м о щ н о с т и , или с л о и с т ы й пласт, в разрезе к о т о ­
рого р е з к о ( з н а ч и т е л ь н о более 50% с у м м а р н о й м о щ н о с т и пласта)
преобладают с л а б о п р о н и ц а е м ы е п о р о д ы . Т а к и м о б р а з о м , в р а з р е ­
зе к о н к р е т н о г о с л а б о п р о н и ц а е м о г о пласта могут б ы т ь в ы д е л е н ы
о т д е л ь н ы е р а з о б щ е н н ы е в о д о н о с н ы е слои или л и н з ы , но о б щ е е
п р е о б л а д а н и е с л а б о п р о н и ц а е м ы х пород определяет в ы с о к и е з н а ­
чения с у м м а р н ы х ф и л ь т р а ц и о н н ы х с о п р о т и в л е н и й пласта в вер­
тикальном
направлении.
В рамках геологической с т р а т и ф и к а ц и и разреза э л е м е н т ы " в о ­
д о н о с н ы й г о р и з о н т " и " с л а б о п р о н и ц а е м ы й п л а с т " могут отвечать
р а з л и ч н ы м и н т е р в а л а м , о д н а к о при с т р а т и г р а ф и ч е с к и н е п р е р ы в ­
н о м с т р о е н и и разреза о н и ч а щ е всего с о о т в е т с т в у ю т и н т е р в а л у
ярус—подъярус (свита—подсвита).
http://geoschool.web.ru
Глава 6. К л а с с и ф и к а ц и я п о д з е м н ы х вод
139
В качестве водоносного комплекса
рассматриваются несколько
с м е ж н ы х в о д о н о с н ы х г о р и з о н т о в разреза при н а л и ч и и у с т а н о в ­
л е н н о й или п р е д п о л а г а е м о й г и д р а в л и ч е с к о й с в я з и между н и м и
( н а л и ч и е л и т о л о г и ч е с к и х о к о н , участков л о к а л ь н о г о р а з м ы в а сла­
б о п р о н и ц а е м ы х пластов и др.) или, что встречается более часто,
слоистая толща значительной мощности с преимущественным
развитием в о д о н о с н ы х пород, в разрезе которой по условиям ее
строения (резкая ф а п и а л ь н а я и з м е н ч и в о с т ь о с а д к о в на коротких
р а с с т о я н и я х , отсутствие в ы д е р ж а н н ы х с л а б о п р о н и ц а е м ы х пластов
и т.д.) не могут быть выделены гидравлически о б о с о б л е н н ы е в о ­
доносные горизонты.
Таким образом, и при выделении водоносного комплекса одним
из в а ж н е й ш и х показателей также является н а л и ч и е
гидравлической
связи пластовой с и с т е м ы . О д н а к о в отличие от в о д о н о с н о г о г о р и ­
зонта, где о т к р ы т а я г и д р а в л и ч е с к а я с в я з ь между в о д о н о с н ы м и
слоями в о з м о ж н а п р а к т и ч е с к и п о в с е м е с т н о (в пределах всей п л о ­
щади р а с п р о с т р а н е н и я ) , в разрезе к о м п л е к с а п о д о б н а я связь все­
гда проявляется локально из-за с л о ж н о г о чередования в о д о н о с н ы х
и с л а б о п р о н и ц а е м ы х слоев или наличия с л а б о п р о н и ц а е м ы х п л а с ­
тов, и з о л и р у ю щ и х на отдельных участках о п р е д е л е н н ы е и н т е р в а ­
л ы разреза в о д о н о с н ы х о т л о ж е н и й к о м п л е к с а .
Н а л и ч и е даже затрудненной гидравлической связи между в о ­
д о н о с н ы м и с л о я м и (и г о р и з о н т а м и ) к о м п л е к с а определяет о б щ и й
характер г и д р о д и н а м и к и его разреза: о б щ и е з а к о н о м е р н о с т и р а с ­
п р е д е л е н и я н а п о р о в п о д з е м н ы х вод (в п р е д е л а х о п р е д е л е н н о й
п л о щ а д и р а с п р о с т р а н е н и я ) , п о л о ж е н и е областей п и т а н и я и р а з ­
грузки, о б щ и е н а п р а в л е н и я д в и ж е н и я п о д з е м н ы х вод и др.
В связи со с л о ж н ы м строением разреза и наличием с л а б о п р о ­
ницаемых слоев для о т л о ж е н и й комплекса могут быть характерны
весьма существенные, но, как правило, плавные (без резких с к а ч ­
ков) и з м е н е н и я м и н е р а л и з а ц и и и химического состава п о д з е м н ы х
вод в в е р т и к а л ь н о м н а п р а в л е н и и . В то же время для о т л о ж е н и й
к а ж д о г о в о д о н о с н о г о к о м п л е к с а п р а к т и ч е с к и всегда х а р а к т е р н а
единая н а п р а в л е н н о с т ь и з м е н е н и я м и н е р а л и з а ц и и и х и м и ч е с к о г о
состава п о д з е м н ы х вод в плане (по п л о щ а д и р а с п р о с т р а н е н и я ) .
Т а к и м образом, о с н о в н ы м показателем к в ы д е л е н и ю с т р а т и ф и ­
кационной единицы "водоносный комплекс" является
единство
условий формирования подземных вод, если п о н и м а т ь под э т и м п о ­
л о ж е н и е областей п и т а н и я и разгрузки, о с о б е н н о с т и г и д р о д и н а ­
м и ч е с к о г о р е ж и м а и д в и ж е н и я , условий ф о р м и р о в а н и я и р а с п р е ­
д е л е н и я ( е д и н ы е з а к о н о м е р н о с т и и з м е н е н и я в п л а н е и в разрезе)
в е л и ч и н ы м и н е р а л и з а ц и и и х и м и ч е с к о г о состава п о д з е м н ы х вод.
http://geoschool.web.ru
140
Часть I. П о д з е м н ы е в о д ы как э л е м е н т г и д р о с ф е р ы З е м л и
Как гидрогеологическое подразделение разреза осадочного чех­
ла в о д о н о с н ы й к о м п л е к с ближе всего соответствует е д и н и ц е " г е о ­
логическая с у б ф о р м а ц и я " (латеральному ряду с у б ф о р м а ц и й ) и
с т р а т и г р а ф и ч е с к и м е д и н и ц а м "ярус—отдел".
В качестве слабопроницаемых
толщ (разделяющие толщи) раз­
реза могут рассматриваться или о д н о р о д н ы е пласты с л а б о п р о н и ­
ц а е м ы х п о р о д з н а ч и т е л ь н о й м о щ н о с т и , или с л о и с т ы е т о л щ и , в
разрезе к о т о р ы х р е з к о п р е о б л а д а ю т с л а б о п р о н и ц а е м ы е п о р о д ы .
В ф о р м а ц и о н н ы х рядах п л а т ф о р м е н н о г о т и п а п о л о ж е н и е с л а б о ­
п р о н и ц а е м ы х ( р а з д е л я ю щ и х ) т о л щ с в я з а н о , как п р а в и л о , с р а с ­
п р о с т р а н е н и е м о с а д к о в м о р с к и х глинистых, к р е м н и с т о - т е р р и г е н ных, г и п с - а н г и д р и т о в ы х , л а г у н н ы х , с о л е н о с н ы х с у б ф о р м а ц и й и
др. В о д о н о с н ы й к о м п л е к с и с л а б о п р о н и ц а е м а я т о л щ а я в л я ю т с я
о с н о в н ы м и с т р а т и ф и к а ц и о н н ы м и е д и н и ц а м и при р е г и о н а л ь н о м
гидрогеологическом р а с ч л е н е н и и , в ы п о л н я е м о м в целом для р а з ­
реза к р у п н ы х структурных э л е м е н т о в з е м н о й к о р ы .
На участках выклинивания и замещения отложений слабопроницаемых раз­
деляющих толщ и пластов при возможном гидравлическом взаимодействии
смежных интервалов разреза выделение водоносных комплексов производится,
как правило, по положению основных стратиграфических единиц. Подобное
расчленение имеет определенный гидрогеологический смысл при существенно
различном строении интервалов разреза, выделяемых в самостоятельные водо­
носные комплексы, или является чисто условным.
Наиболее к р у п н ы м и е д и н и ц а м и с т р а т и ф и к а ц и о н н о й гидрогео­
логической ш к а л ы являются водоносные серии, в качестве которых
могут б ы т ь в ы д е л е н ы к р у п н ы е с т р а т и г р а ф и ч е с к и о д н о в о з р а с т н ы е
(в ш и р о к о м и н т е р в а л е ) э л е м е н т ы разреза о с а д о ч н о г о чехла, ха­
рактеризующиеся преимущественным распространением пород
определенного литологического состава или генезиса. В этом
с м ы с л е м о ж н о говорить о в ы д е л е н и и в разрезе чехла в о д о н о с н ы х
с е р и й п р е и м у щ е с т в е н н о т е р р и г е н н ы х и к а р б о н а т н ы х пород, м о р ­
с к и х и л и к о н т и н е н т а л ь н ы х о т л о ж е н и й о п р е д е л е н н о г о возраста,
учитывая при этом не т о л ь к о р а з л и ч и я л и т о л о г и ч е с к о г о состава,
н о и о с о б е н н о с т и с т р о е н и я в ы д е л е н н ы х э л е м е н т о в чехла в п л а н е
и разрезе.
Водоносная серия рассматривается о б ы ч н о как с т р а т и ф и к а ц и о н ­
н ы й э л е м е н т " с в о б о д н о г о " п о л ь з о в а н и я без четкого о п р е д е л е н и я
о б щ и х г и д р о г е о л о г и ч е с к и х п р и з н а к о в ее в ы д е л е н и я . В г и д р о д и ­
н а м и ч е с к о м о т н о ш е н и и р а с ч л е н е н и е разреза с в ы д е л е н и е м в о д о ­
н о с н ы х с е р и й п р а к т и ч е с к и всегда я в л я е т с я у с л о в н ы м , т а к к а к
л ю б о й к р у п н ы й с т р а т и г р а ф и ч е с к и е д и н ы й и н т е р в а л чехла ч а щ е
http://geoschool.web.ru
Глава 6. К л а с с и ф и к а ц и я п о д з е м н ы х вод
141
всего является с л о ж н ы м с о ч е т а н и е м в о д о н о с н ы х и с л а б о п р о н и ц а е ­
мых элементов более высоких порядков.
Строение разрезов слоистых осадочных пород определяет воз­
м о ж н о с т ь в ы д е л е н и я здесь т о л ь к о трех т и п о в п о д з е м н ы х вод, раз­
личных по условиям
залегания,
к к о т о р ы м о т н о с я т с я : воды зоны
аэрации, ф о р м и р у ю щ и е с я в верхней н е н а с ы щ е н н о й з о н е г о р н ы х
п о р о д (см. гл. 7); грунтовые воды — п е р в ы й от п о в е р х н о с т и з е м л и
водоносный горизонт, верхней границей которого является сво­
бодный уровень воды (верхняя граница зоны полного н а с ы щ е ­
н и я , см. гл. 2); межпластовые
воды, связанные с водоносными
горизонтами, залегающими между двумя с л а б о п р о н и ц а е м ы м и
п л а с т а м и (табл. 6.2).
Таблица 6.2
К л а с с и ф и к а ц и я п о д з е м н ы х вод п о у с л о в и я м залегания и составу
в о д о в м е щ а ю щ и х п о р о д (типу среды)
Тип
фильтрационной
среды
Седиментогенные
норовые среды
Седиментогенные
трещинные и
карстовые среды
Магматические и
метаморфические
среды
Типы подземных вод
по условиям
залегания
Воды зоны
аэрации
Грунтовые воды
Межпластовые
воды
по составу водовмещащих пород
Поровые
Примечание
-
Воды зоны
аэрации
Грунтовые воды
Трещинные, порово-трещинные
и трещинно-карстовые
В верхней зоне ре­
гиональной трещи­
новатое™ — зона
"выветривания"
Межпластовые
воды
Пластово-трещинные, пластовые
трещи нно-карстовые
В слабодислоцированных отложениях
платформенного
чехла
Воды локальных Трещинные
зон трещиноватости
В интенсивно дис­
лоцированных поро­
дах горно-складча­
тых областей
Воды зоны
аэрации
Грунтовые воды
Трещинные
В верхней зоне ре­
гиональной трещи­
новатое™
Воды локаль­
ных (линейнолокальных) зон
трещиноватое™
Трещинные (трещинно-жильные)
В зонах тектониче­
ских нарушений, в
зонах метаморфогенного разуплотне­
ния горных пород
и др.
http://geoschool.web.ru
142
Часть I. П о д з е м н ы е воды как э л е м е н т г и д р о с ф е р ы З е м л и
В гидрогеологических разрезах, с л о ж е н н ы х массивными ( н е с л о ­
и с т ы м и ) г о р н ы м и п о р о д а м и , в е л и ч и н ы и характер р а с п р е д е л е н и я
в пространстве е м к о с т н ы х и ф и л ь т р а ц и о н н ы х свойств, а следова­
тельно, и п о л о ж е н и е в о д о н о с н ы х и с л а б о п р о н и ц а е м ы х э л е м е н т о в
разреза о п р е д е л я ю т с я в о б щ е м случае развитием т р е щ и н о в а т о с т и
р а з л и ч н ы х генетических т и п о в (см. табл. 6.2). В соответствии с
этим гидрогеологическое р а с ч л е н е н и е разрезов этого типа о с н о ­
вано на выделении так называемых водоносных зон трещиноватости
(А.С. Рябчснков). Исходя из представлений о процессах ф о р м и р о ­
вания т р е щ и н н о й скважности горных пород о б ы ч н о предусматри­
вается выделение трех о с н о в н ы х т и п о в водоносных зон т р е щ и н о ­
ватости, подземные воды которых имеют существенно различные
условия з а л е г а н и я ( ф о р м и р о в а н и я ) : I) р е г и о н а л ь н а я зона э к з о ­
генной т р е щ и н о в а т о с т и верхней части м а с с и в о в с к а л ь н ы х пород
(зона " в ы в е т р и в а н и я " ) ; 2) л и н е й н о - л о к а л ь н ы е зоны т р е щ и н о в а ­
тости, связанные с тектоническими нарушениями различного типа;
3) л о к а л ь н ы е зоны п о в ы ш е н н о й трещиноватости и обводненности
внутренних (глубоких) частей м а с с и в о в с к а л ь н ы х пород.
При региональных исследованиях крупных массивов распростра­
нения к р и с т а л л и ч е с к и х пород в связи с отсутствием д а н н ы х о п о ­
л о ж е н и и о б в о д н е н н ы х зон т р е щ и н н ы х вод (кроме верхней зоны
выветривания) гидрогеологическое расчленение чаще всего прово­
дится путем выделения водоносных к о м п л е к с о в по с т р а т и г р а ф и ­
ческой п р и н а д л е ж н о с т и горных пород. Такое р а с ч л е н е н и е имеет
о п р е д е л е н н ы й с м ы с л , если п о р о д ы в ы д е л я е м ы х с т р а т и г р а ф и ч е ­
ских подразделений имеют различный литолого-петрографический
состав, но с г и д р о д и н а м и ч е с к о й т о ч к и з р е н и я (условия залега­
н и я п о д з е м н ы х вод, ф и л ь т р а ц и я и др.) чаще всего является чисто
условным.
П о п ы т к и разработать более о б щ и е к л а с с и ф и к а ц и и п о д з е м н ы х
вод, п о л н о с т ь ю о т р а ж а ю щ и е о с о б е н н о с т и состава и свойств этого
с л о ж н о г о п р и р о д н о г о объекта, а также р а з н о о б р а з и е условий его
р а с п р о с т р а н е н и я , залегания и ф о р м и р о в а н и я , связь с геологиче­
с к и м и структурами и т и п а м и в о д о в м е щ а ю щ и х пород, п р е д п р и н и ­
мались A . M . Ж е р м у д с к и м и А.А. К о з ы р е в ы м (1928), В.И. Вернад­
ским (1936), Ф . П . Саваренским (1939), А . М . О в ч и н н и к о в ы м (1949),
Н . И . Т о л с т и х и н ы м (1954, 1956), Е.В. П и н н е к е р о м (1983) и д р у г и ­
ми и с с л е д о в а т е л я м и (табл. 6.3). С р а в н е н и е этих к л а с с и ф и к а ц и й
показывает, что о н и построены по-разному как в смысле выделения
( н а з в а н и я ) о с н о в н ы х к л а с с и ф и ц и р у е м ы х п о д р а з д е л е н и й , так и в
смысле их характеристик. В то же время даже очень п о д р о б н ы е и
сложно построенные классификации (например, В.И. Вернадского,
http://geoschool.web.ru
Глава 6. К л а с с и ф и к а ц и я п о д з е м н ы х вод
А.М.Овчинникова,
Ф.П. Саваренского)
143
не д а ю т п о л н о г о
пред­
ставления о классифицируемом объекте (химический состав под­
з е м н ы х вод, м и н е р а л и з а ц и я , с в я з ь с г е о л о г и ч е с к и м и
структурами
и др.). Э т о п о л о ж е н и е о п р е д е л я е т н е о б х о д и м о с т ь д а л ь н е й ш и х и с ­
с л е д о в а н и й для р а з р а б о т к и е д и н о й ( о б щ е й ) к л а с с и ф и к а ц и и
под­
земных вод.
Таблица 6.3
Классификация п о д з е м н ы х вод A.M. О в ч и н н и к о в а (1949)
Подтипы
Основные
типы
Волы юны
аэрации
Грунтовые
воды
Артезиа нские воды
воды в пористых
горных породах
(норовые воды)
воды в трещиноватых
горных породах
(трещинные воды)
Особые типы
воды районов
вечной мерзлоты
Почвенные воды
Болотные воды
Верховодка
Воды гакыров и
бугристых песков
(в пустынях)
Воды песчаных
массивов и дюн
(побережья морей)
Локальные воды коры
выветривания трещи­
новатых горных пород
Воды верхнего (дрени­ Воды деятель­
рованного) этажа заного слоя
карсто ва иных масс и вов
Воды кровли лавовых
потоков и туфобрекчий
Аллювиальные воды
Воды речных террас
Воды древнеаллювиальных отложений
Вод 1,1 фл К) в И 0 1 'Л я н и альпых отложений
(нал-, меж-, и под­
моренных песчаногалечниковых
накоплений)
Воды коры вывет­
ривания коренных
отложений
Трещинные гру 11 то вые
воды кровли коренных Палмерзлотные
пород и основания ла­ воды
вовых потоков
Пласгово-трещинные
и трещинио-пластовые
волы осадочных отло­
жений
Карстовые воды масси­ Межмерзлот­
вов карбонатных пород ные воды
(а также гипсоносных
и соленосных)
Воды артезианских
бассейнов (в песча­
ных пластах)
Воды артезианских
склонов (в монокли­
нально залегающих
песчано-галеч пико­
вых свитах предгор­
ных районов)
Воды артезианских
систем (в пластах, мас­
сивах и штоках трещи­
новатых горных пород
Карст ово-т реши иные
волы
Воды зон тектониче­
ских разрывов
Воды артезианских
склонов (в краевых
частях массивов интру­
зивных пород)
http://geoschool.web.ru
Подмерзло™ ые
воды
144
Часть I. П о д з е м н ы е воды как э л е м е н т г и д р о с ф е р ы З е м л и
Вопросы к главе 6
1. Принципы гидрогеологического
расчленения
слоистых
разрезов
осадочных и трещиноватых
скальных пород.
2. Понятия "водоносный
слой", "водоносный
горизонт",
"водо­
носный комплекс",
"водоносная зона трещиноватости",
прин­
ципы выделения.
3. Классификация
подземных вод по типу водовмещающих
пород
и по условиям
залегания.
4. Зачем, по вашему мнению, нужны классификации
подземных
вод?
http://geoschool.web.ru
Часть
ФОРМИРОВАНИЕ
РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ
ПОДЗЕМНЫХ ВОД
Понятие "формирование подземных вод" является исключи­
тельно е м к и м . О н о в о б щ е м случае включает: условия залегания
( г л у б и н ы , р а с п р о с т р а н е н и е ) п о д з е м н ы х вод; с в я з ь с о п р е д е л е н ­
н ы м т и п о м геологической структуры и п о р о д а м и о п р е д е л е н н о г о
состава; условия п и т а н и я , д в и ж е н и я и разгрузки; ф о р м и р о в а н и е
ф и з и ч е с к и х свойств и х и м и ч е с к о г о состава воды; характер и сте­
п е н ь а н т р о п о г е н н о г о в о з д е й с т в и я . В з а в и с и м о с т и от т и п а п о д ­
з е м н ы х вод (см. гл. 6) эти у с л о в и я и х а р а к т е р и с т и к и я в л я ю т с я
различными.
Глава 7
ГРУНТОВЫЕ ВОДЫ
И ВОДЫ ЗОНЫ АЭРАЦИИ
Грунтовые воды и воды зоны а э р а ц и и залегают в верхней части
геологического разреза: от поверхности з е м л и д о глубин п о р я д к а
200—250 м, реже б о л ь ш е . В с в я з и с э т и м условия их ф о р м и р о в а ­
ния наиболее т е с н о с в я з а н ы с к л и м а т о м т е р р и т о р и и , р е л ь е ф о м и
п о в е р х н о с т н ы м и водами. К р о м е того, в с о в р е м е н н ы х условиях их
формирование, как правило, в значительной мере определяется
наличием р а з л и ч н ы х видов а н т р о п о г е н н о г о воздействия.
7.1. Воды зоны аэрации
Как б ы л о указано в ы ш е , з о н о й а э р а ц и и , т.е. з о н о й неполного
н а с ы щ е н и я , называется верхняя часть разреза з е м н о й коры, огра­
н и ч е н н а я сверху поверхностью земли и снизу свободной поверх­
ностью подземных вод первого водоносного горизонта. М о щ н о с т ь
этой з о н ы и з м е н я е т с я п р а к т и ч е с к и от 0 д о 200—250 м и более
(см. гл. 2).
http://geoschool.web.ru
Часть II. Формирование различных типов подземных вод
146
В с о о т в е т с т в и и с ее н а з в а н и е м (зона н е п о л н о г о н а с ы щ е н и я )
свободное п р о с т р а н с т в о в м и н е р а л ь н о м скелете пород зоны аэра­
ции з а п о л н е н о ч а с т и ч н о водой ( с в я з а н н ы е воды, к а п и л л я р н ы е ,
с в о б о д н ы е г р а в и т а ц и о н н ы е , вода в виде пара, лед) и ч а с т и ч н о га­
зами п р е и м у щ е с т в е н н о а т м о с ф е р н о г о п р о и с х о ж д е н и я . П р и этом
влажность пород зоны а э р а ц и и в плане (от участка к участку), в
разрезе и во времени (по с е з о н а м года и в годы р а з л и ч н о й в о д н о ­
сти) м о ж е т м е н я т ь с я ч р е з в ы ч а й н о с и л ь н о : в о б щ е м случае от
уровня, соответствующего м а к с и м а л ь н о й м о л е к у л я р н о й влагоемкости (в условиях а р и д н о й зоны влажность пород зоны а э р а ц и и
может быть и м е н ь ш е з н а ч е н и я о \ ) , до з н а ч е н и й , соответствую­
щих полному н а с ы щ е н и ю ( И
.).
У р о в е н ь в л а ж н о с т и п о р о д з о н ы а э р а ц и и и его и з м е н е н и я в
разрезе о п р е д е л я ю т с я в первую очередь с т е п е н ь ю у в л а ж н е н и я п о ­
верхности земли (периоды в ы п а д е н и я а т м о с ф е р н ы х о с а д к о в , ве­
с е н н е е с н е г о т а я н и е , о р о ш е н и е и др.) и п р о н и ц а е м о с т ь ю п о р о д
зоны а э р а ц и и , о п р е д е л я ю щ е й условия п р о с а ч и в а н и я воды через
поверхность земли и с к о р о с т ь ее п е р е р а с п р е д е л е н и я в разрезе. В
свою очередь проницаемость, соотношение различных видов
воды и, следовательно, влажность пород в р е ш а ю щ е й степени о п ­
ределяются также составом пород зоны а э р а ц и и ( г а л е ч н и к и , п е с ­
ки, супеси, с у г л и н к и , т р е щ и н о в а т ы е или з а к а р с т о в а н н ы е п о р о д ы ,
с л о и с т ы й разрез зоны а э р а ц и и и др.).
П р и этом э к с п е р и м е н т а л ь н о у с т а н о в л е н о , что при н и с х о д я ­
щем д в и ж е н и и ( п р о с а ч и в а н и и ) с в о б о д н ы х г р а в и т а ц и о н н ы х вод
через н е н а с ы щ е н н ы е породы зоны а э р а ц и и их п р о н и ц а е м о с т ь су­
щ е с т в е н н о зависит от влажности и может б ы т ь в ы р а ж е н а следую­
щим соотношением:
П1
/
маК(
К = К лу\
{
где Аф — к о э ф ф и ц и е н т фильтрации при полном н а с ы щ е н и и
W
= W/W .
snYJ
(7.1)
И^
(акс
;
— о т н о с и т е л ь н а я в л а ж н о с т ь пород зоны а э р а ц и и :
/7 = 3 - 4 ( Ш е с т а к о в , 1981).
В условиях з о н ы а э р а ц и и , с л о ж е н н о й о т н о с и т е л ь н о с л а б о п р о ­
н и ц а е м ы м и п о р о д а м и ( с у п е с и , с у г л и н к и ) , ее п р о н и ц а е м о с т ь и
у с л о в и я д в и ж е н и я п о д з е м н ы х вод в т о й или и н о й мере могут
определяться с к в а ж н о с т ь ю , ф о р м и р у ю щ е й с я в связи с развитием
корневой системы растений и деятельностью животных ( И . С . П а ш к о в с к и й и др.).
В н е н а с ы щ е н н ы х породах зоны а э р а ц и и д в и ж е н и е п о д з е м н ы х
вод м о ж е т о с у щ е с т в л я т ь с я д в и ж е н и е м п а р о о б р а з н о й , р ы х л о с в я з а н н о й воды и д р у г и м и путями. О д н а к о с точки з р е н и я в з а и м о ­
действия подземных вод зоны полного н а с ы щ е н и я с поверхностью
http://geoschool.web.ru
Глава 7. Г р у н т о в ы е воды и воды з о н ы а э р а ц и и
147
земли в качестве о с н о в н ы х видов д в и ж е н и я воды через зону аэра­
ции о б ы ч н о рассматривается вертикальный влагоперенос, осу­
щ е с т в л я ю щ и й с я под д е й с т в и е м г р а в и т а ц и о н н ы х и к а п и л л я р н о с о р б ц и о н н ы х сил ( Ш е с т а к о в , Кац, 1981).
Одним видом такого вертикального влагопереноса является
нисходящее д в и ж е н и е свободных гравитационных вод (просачива­
ние) от поверхности земли до уровня первого водоносного гори­
зонта, ф о р м и р у ю щ е е и н ф и л ь т р а ц и о н н о е питание подземных вод.
Другим — подъем п о д з е м н ы х вод по системе к а п и л л я р о в от уров­
ня в о д о н о с н о г о горизонта до поверхности земли с п о с л е д у ю щ и м
и с п а р е н и е м (разгрузка грунтовых вод и с п а р е н и е м — см. н и ж е ) .
П о условиям залегания и о с о б е н н о с т я м водного р е ж и м а в р а з ­
резе зоны а э р а ц и и о б ы ч н о выделяют три характерных горизонта
подземных вод: воды п о ч в е н н о г о слоя, верховодку и воды к а п и л ­
л я р н о й к а й м ы (рис. 7.1).
Рис. 7.1. Схема залегания типов подземных вод зоны аэрации:
/ — породы зоны аэрации, 2 — грунтового водоносного горизонта, 3 — слабопроницаемые породы, 4 — почвенный слой, 5 — уровень грунтовых вод и
капиллярная кайма, 6 — верховодка
Горизонт почвенных вод ф о р м и р у е т с я в с а м о й верхней части
разреза вблизи от поверхности з е м л и , м о щ н о с т ь его ч а щ е всего
и з м е н я е т с я от первых д е с я т к о в с а н т и м е т р о в д о 1 — 1,5 м, реже б о ­
лее. С т е п е н ь н а с ы щ е н и я п о ч в е н н о г о с л о я и р е ж и м п о ч в е н н о й
влаги о п р е д е л я ю т с я м н о г и м и ф а к т о р а м и ( в ы п а д е н и е ж и д к и х ат­
м о с ф е р н ы х о с а д к о в , с н е г о т а я н и е , о р о ш е н и е , т а я н и е с е з о н н о - или
м н о г о л е т н е м е р з л ы х пород, к о н д е н с а ц и я , и с п а р е н и е и т р а н с п и р а ция и др.), в целом весьма и з м е н ч и в ы м и . П е р е у в л а ж н е н н ы е почвы
о б ы ч н о ф о р м и р у ю т с я на участках неглубокого залегания грунто-
http://geoschool.web.ru
148
Часть II. Ф о р м и р о в а н и е р а з л и ч н ы х т и п о в п о д з е м н ы х вод
вых вод (горизонтов верховодки), где уровень к а п и л л я р н о й к а й м ы
п о с т о я н н о находится в пределах п о ч в е н н о г о слоя (см. рис. 7.1).
В связи с м и к р о а г р е г а т н о й структурой почв, в ы с о к и м с о д е р ­
ж а н и е м о р г а н и к и и д р у г и м и ф а к т о р а м и в п о ч в е н н о м слое ф о р ­
мируются п р е и м у щ е с т в е н н о п р о ч н о с в я з а н н ы е , р ы х л о с в я з а н н ы е и
к а п и л л я р н ы е воды; в периоды и н т е н с и в н о г о у в л а ж н е н и я п о ч в е н ­
ного слоя — с в о б о д н ы е г р а в и т а ц и о н н ы е воды. О с н о в н ы м видом
д в и ж е н и я п о ч в е н н ы х вод я в л я е т с я в е р т и к а л ь н ы й в л а г о п е р е н о с
под д е й с т в и е м к а п и л л я р н о - с о р б ц и о н н ы х и г р а в и т а ц и о н н ы х сил
( и н ф и л ь т р а ц и я , и с п а р е н и е ) . В з н а ч и т е л ь н о й с т е п е н и р е ж и м го­
р и з о н т а п о ч в е н н ы х вод определяется также расходом воды через
к о р н е в у ю , систему р а с т е н и й с последующей т р а н с п и р а ц и е й (в за­
в и с и м о с т и от н а л и ч и я и вида растительности, с е з о н о в года и др.).
Верховодкой
н а з ы в а ю т с я л о к а л ь н о р а с п р о с т р а н е н н ы е и, к а к
правило, н е п о с т о я н н о существующие (сезоны о с н о в н о г о увлажне­
н и я , многоводные годы и т.д.) с к о п л е н и я свободных г р а в и т а ц и о н ­
н ы х вод, ф о р м и р у ю щ и е с я на п р о с т р а н с т в е н н о н е в ы д е р ж а н н ы х
" в о д о у п о р а х " в породах з о н ы а э р а ц и и , в ы ш е уровня грунтового
в о д о н о с н о г о горизонта (см. рис. 7.1). П о д о б н ы е водоупоры могут
быть связаны с невыдержанными относительно м а л о м о щ н ы м и
п р о с л о я м и и л и н з а м и с л а б о п р о н и ц а е м ы х пород ( г л и н ы , с у г л и н ­
к и ) , г о р и з о н т а м и п о г р е б е н н ы х почв, п о р о д а м и с е з о н н о м е р з л о г о
слоя ( C M C ) и др. Ф о р м и р о в а н и е верховодки н а и б о л е е т и п и ч н о
для т е р р и т о р и й со з н а ч и т е л ь н о й м о щ н о с т ь ю з о н ы а э р а ц и и (цент­
р а л ь н ы е части м е ж д у р е ч н ы х п р о с т р а н с т в , п р е д г о р н ы е р а в н и н ы ,
а р и д н ы е р а й о н ы с глубоким з а л е г а н и е м уровня грунтовых вод).
При этом наиболее благоприятные условия образования вер­
ховодки х а р а к т е р н ы д л я у ч а с т к о в с о т н о с и т е л ь н о и н т е н с и в н ы м
инфильтрационным питанием, связанных с микропонижениями
рельефа, о р о ш а е м ы м и м а с с и в а м и , участками сброса или с к л а д и ­
р о в а н и я ж и д к и х п р о м ы ш л е н н ы х отходов и т.д.
В зависимости от и с т о ч н и к о в п и т а н и я ( и н ф и л ь т р а ц и я , к о н д е н ­
с а ц и я , о р о ш е н и е , сброс п р о м ы ш л е н н ы х отходов и др.) водный р е ­
ж и м и п е р и о д ы с у щ е с т в о в а н и я г о р и з о н т о в верховодки могут б ы т ь
р а з л и ч н ы м и . И с т о щ е н и е з а п а с о в воды в г о р и з о н т а х верховодки
(разгрузка) с в я з а н о с ф и л ь т р а ц и е й в н и ж е л е ж а щ и е п о р о д ы з о н ы
аэрации (при сезонном прекращении питания), испарением и
т р а н с п и р а ц и е й , в ряде случаев — с и н т е н с и в н ы м о т б о р о м воды.
В з а в и с и м о с т и от к л и м а т и ч е с к и х условий м е с т н о с т и , состава п о ­
род п о ч в е н н о г о слоя и з о н ы а э р а ц и и , и с т о ч н и к о в п и т а н и я и ус­
л о в и й разгрузки х и м и ч е с к и й состав и м и н е р а л и з а ц и я воды могут
быть р а з л и ч н ы м и .
http://geoschool.web.ru
Глава 7. Г р у н т о в ы е в о д ы и воды з о н ы а э р а ц и и
149
В р а й о н а х р а с п р о с т р а н е н и я М М П в ряде случаев к верховодке
о т н о с я т т а к ж е воды с е з о н н о т а л о г о слоя ( С Т С ) . О д н а к о условия
ф о р м и р о в а н и я вод С Т С р е з к о о т л и ч а ю т с я от условий с у щ е с т в о ­
вания т и п и ч н о й верховодки (см. гл. 13).
Воды капиллярной
каймы с в я з а н ы н е п о с р е д с т в е н н о со с в о б о д ­
ной п о в е р х н о с т ь ю первого в о д о н о с н о г о горизонта (см. р и с . 7.1).
М о щ н о с т ь капиллярной каймы (высота подъема относительно
уровня грунтовых вод) определяется гранулометрическим составом
пород зоны а э р а ц и и (см. гл. 3) и может быть различной табл. 7.1).
П е р е м е щ е н и е вод к а п и л л я р н о й к а й м ы в породах з о н ы а э р а ц и и
определяется в о с н о в н о м и з м е н е н и е м глубины залегания с в о б о д ­
ного уровня грунтовых вод в связи с с е з о н н ы м и и м н о г о л е т н и м и
и з м е н е н и я м и в е л и ч и н п и т а н и я и разгрузки.
Таблица 7.1
Предельная в ы с о т а капиллярного поднятия
(Грунтоведение, 1983)
Горные породы
Высота Л, см
Песок
крупнозернистый
среднезерн истый
мелкозернистый
2-3,5
12-35
5-120
Супесь
120-350
Суглинок
350-650
Глина
650-1200
Н а л и ч и е к а п и л л я р н о й к а й м ы , ее м о щ н о с т ь и п о л о ж е н и е о т н о ­
с и т е л ь н о п о в е р х н о с т и земли и м е ю т с у щ е с т в е н н о е з н а ч е н и е д л я
ф о р м и р о в а н и я водного р е ж и м а (влажности) пород з о н ы а э р а ц и и
и почвенного слоя, водоснабжения корневой системы растений
и, следовательно, условий разгрузки грунтовых вод путем и с п а р е ­
ния и т р а н с п и р а ц и и .
7.2. Грунтовые воды
Грунтовыми в о д а м и , и л и грунтовым в о д о н о с н ы м г о р и з о н т о м ,
называется п е р в ы й от поверхности земли п о с т о я н н о с у щ е с т в у ю ­
щий регионально распространенный водоносный горизонт со
свободным уровнем. Понятия "постоянно существующий" и "ре­
гионально р а с п р о с т р а н е н н ы й " подчеркивают различие между
грунтовыми водами и верховодкой, которая также фиксируется
как п е р в ы й от поверхности в о д о н о с н ы й горизонт. В о т л и ч и е от
http://geoschool.web.ru
150
Часть II. Ф о р м и р о в а н и е р а з л и ч н ы х т и п о в п о д з е м н ы х вод
верховодки существование грунтового водоносного горизонта
о б ы ч н о с в я з а н о с н а л и ч и е м р е г и о н а л ь н о (в пределах всего р а с ­
с м а т р и в а е м о г о р а й о н а или з н а ч и т е л ь н о й его части) р а с п р о с т р а ­
н е н н о г о п л а с т а с л а б о п р о н и ц а е м ы х п о р о д (см. гл. 6). П о н я т и я
"свободный уровень", "свободная поверхность" подчеркивают
тот ф а к т , что верхней границей грунтового в о д о н о с н о г о г о р и з о н ­
та является с в о б о д н ы й уровень п о д з е м н ы х вод (см. рис. 7.1). При
в с к р ы т и и в о д о н о с н о г о горизонта в этом случае отсутствует и з б ы ­
точное д а в л е н и е воды на его кровле (Р= Р, ) и уровень воды ус­
танавливается на отметке в с к р ы т и я верхней г р а н и ц ы горизонта.
В связи с этим грунтовые воды не совсем верно называются так­
же б е з н а п о р н ы м и (см. гл. 5). На участках, где в верхней части в о ­
доносного горизонта распространены линзы слабопроницаемых
пород, или п о к р о в н ы е с л а б о п р о н и ц а е м ы е о т л о ж е н и я , с о б с т в е н н о
водоносный горизонт фиксируется горными выработками ниже
их п о д о ш в ы . На таких участках наблюдается и з б ы т о ч н о е гидро­
статическое д а в л е н и е , под д е й с т в и е м которого уровень воды уста­
навливается в ы ш е кровли в о д о н о с н о г о горизонта. В этом случае
п о д з е м н ы е воды н а з ы в а ю т с я в о д а м и с м е с т н ы м н а п о р о м , или
субнапорными.
В пределах п л а т ф о р м е н н ы х т е р р и т о р и й гумидной з о н ы грун­
товый в о д о н о с н ы й горизонт залегает на глубинах до 10—15 м и
ф о р м и р у е т с я п р е и м у щ е с т в е н н о в рыхлых о т л о ж е н и я х четвертич­
ного и н е о г е н - ч е т в е р т и ч н о г о возраста. В а р и д н о й и п о л у а р и д н о й
зонах с глубинами залегания грунтовых вод до 50 м и более, а
т а к ж е на участках с отсутствием или малой м о щ н о с т ь ю четвер­
т и ч н ы х о т л о ж е н и й грунтовые воды могут б ы т ь с в я з а н ы с о т л о ж е ­
н и я м и л ю б о г о возраста и состава. В массивах д р е в н и х к р и с т а л л и ­
ческих пород и в г о р н о - с к л а д ч а т ы х областях ( к р о м е м е ж г о р н ы х
в п а д и н и у ч а с т к о в р а с п р о с т р а н е н и я рыхлых о т л о ж е н и й з н а ч и ­
тельной м о щ н о с т и ) горизонт грунтовых вод с в я з а н , как п р а в и л о ,
с верхней т р е щ и н о в а т о й зоной горных пород ( л и т и ф и ц и р о в а н н ы е
о с а д о ч н ы е , м а г м а т и ч е с к и е , м е т а м о р ф и ч е с к и е п о р о д ы ) . Д л я этих
р а й о н о в при и н т е н с и в н о й э р о з и о н н о й р а с ч л е н е н н о с т и р е л ь е ф а
( г о р н о - с к л а д ч а т ы е о б л а с т и ) х а р а к т е р н ы м а к с и м а л ь н ы е глубины
залегания грунтовых вод (до 200—250 м, в о з м о ж н о , б о л ь ш е ) .
1Ш
7.2.1. Питание и разгрузка грунтовых вод
П и т а н и е и разгрузка грунтовых вод, я в л я ю щ и е с я о с н о в н ы м и
э л е м е н т а м и водного баланса л ю б о ю в о д о н о с н о г о горизонта, о п ­
ределяют поступление воды в горизонт, н а к о п л е н и е запасов п о д -
http://geoschool.web.ru
Глава 7. Г р у н т о в ы е воды и воды з о н ы а э р а ц и и
151
з е м н ы х вод и с о о т в е т с т в е н н о отток и расходование (сработку) за­
пасов п о д з е м н ы х вод д а н н о г о в о д о н о с н о г о горизонта (см. гл. 5).
П и т а н и е грунтовых вод в о б щ е м случае осуществляется при и н ­
фильтрации атмосферных осадков, конденсации, поглощении
п о в е р х н о с т н ы х вод, п р и т о к е из н и ж е л е ж а щ и х г о р и з о н т о в и и с ­
кусственном п и т а н и и грунтовых вод. В связи с тем, что грунто­
вый в о д о н о с н ы й горизонт не и з о л и р о в а н от поверхности з е м л и ,
питание грунтовых вод п р и н ц и п и а л ь н о в о з м о ж н о в пределах всей
площади р а с п р о с т р а н е н и я горизонта (область п и т а н и я совпадает
с областью р а с п р о с т р а н е н и я горизонта).
Под инфильтрацией
понимается процесс просачивания свобод­
ной г р а в и т а ц и о н н о й воды от поверхности земли до уровня грун­
тового в о д о н о с н о г о горизонта. В соответствии с этим в е л и ч и н а
и н ф и л ь т р а ц и о н н о г о п и т а н и я о б ы ч н о выражается в миллиметрах
слоя воды, п о с т у п и в ш е й на уровень грунтовых вод за расчетный
период времени (мм/сут, мм/мес, мм/год). При необходимости
эта величина может б ы т ь также выражена расходом воды, посту­
п и в ш и м за р а с ч е т н ы й п е р и о д времени на е д и н и ц у поверхности
грунтового в о д о н о с н о г о горизонта, н а п р и м е р модулем и н ф и л ь т ­
р а ц и о н н о г о п и т а н и я (л/с • к м ) .
Величина и н ф и л ь т р а ц и о н н о г о питания грунтовых вод в общем
случае о п р е д е л я е т с я и н т е н с и в н о с т ь ю у в л а ж н е н и я п о в е р х н о с т и
земли, с т р о е н и е м и с о с т а в о м п о р о д з о н ы а э р а ц и и , т е м п е р а т у р ­
ным р е ж и м о м и в л а ж н о с т ь ю пород зоны а э р а ц и и , видом расти­
т е л ь н о с т и и др. И н т е н с и в н о с т ь у в л а ж н е н и я п о в е р х н о с т и з е м л и
определяется количеством воды, п о с т у п а ю щ и м на нее в виде ж и д ­
ких а т м о с ф е р н ы х о с а д к о в , при т а я н и и снега, с е л ь с к о х о з я й с т в е н ­
ных п о л и в а х ; р е л ь е ф о м п о в е р х н о с т и , о п р е д е л я ю щ и м у с л о в и я
с к л о н о в о г о с т е к а н и я и н а к о п л е н и я влаги в п о н и ж е н и я х рельефа;
интенсивностью испарения влаги с поверхности земли, зависящей
от температуры воздуха и поверхности п о ч в ы , ветрового р е ж и м а
и характера растительности. Как правило, величина и н ф и л ь т р а ц и ­
о н н о г о питания не связана п р я м о с количеством (годовой суммой)
атмосферных осадков. В л е т н и й период при высоких температурах
поверхности почвы и п р и п о в е р х н о с т н о г о слоя воздуха а т м о с ф е р ­
ные о с а д к и , п о с т у п а ю щ и е на п о в е р х н о с т ь з е м л и , ч а с т и ч н о или
п о л н о с т ь ю расходуются на и с п а р е н и е и не ф о р м и р у ю т и н ф и л ь т ­
рационного питания.
Основные объемы инфильтрационного питания формируются,
как п р а в и л о , при и н т е н с и в н о м у в л а ж н е н и и поверхности земли в
холодные п е р и о д ы года с м и н и м а л ь н ы м и в е л и ч и н а м и и с п а р е н и я :
л е т н е - о с е н н и й период, в ю ж н ы х районах — з и м н и й , а также в пе­
риод весеннего с н е г о т а я н и я .
2
http://geoschool.web.ru
Часть II. Ф о р м и р о в а н и е р а з л и ч н ы х т и п о в п о д з е м н ы х вод
152
В годовом ц и к л е могут б ы т ь в ы д е л е н ы о д и н или н е с к о л ь к о (в
з а в и с и м о с т и от к л и м а т и ч е с к и х у с л о в и й м е с т н о с т и ) п е р и о д о в с
ф о р м и р о в а н и е м п и т а н и я грунтовых вод за счет и н ф и л ь т р а ц и и ат­
м о с ф е р н ы х о с а д к о в (табл. 7. 2). С у м м а а т м о с ф е р н ы х о с а д к о в за
этот п е р и о д рассматривается в этом случае в качестве " э ф ф е к т и в ­
н о й " с у м м ы осадков.
Таблица 7.2
Годовое распределение а т м о с ф е р н ы х осадков и величин
испарения с п о в е р х н о с т и с у ш и (Материалы МГД, 1975)
Пункт и речной бассейн
Месяц
Таежный, оз.
Валдайское
Травопольная,
р. Битюг
Балцата,
р. Днестр
Полевой,
р. Москва
1
37,6/6,0
8,8/-
37,1/—
29,3/-
II
44,3/8,0
16,4/-
66,8/—
13,9/—
III
372/15
31,6/10
42,1/—
19,1/—
IV
9,2/19
36,5/30
26,2/45
9,0/43
V
46,5/68
11,4/89
59,5/49
23,6/66
VI
114,5/109
92,4/98
99,6/68
49,8/58
VII
83,9/86
19.8/58
96,8/94
88,9/71
VIII
35,6/75
68.6/43
10,4/26
28,5/22
IX
94,5/37
19.8/32
133,7/42
88,8/210
X
100,5/17
53.0/12
6,1/18
116,4/—
XI
76,4/4,0
42,0/8,0
21,4/18
69,9/—
XII
41,7/5,0
31,2/—
54,6/13
30,1/—
Год
739/(475)
404/(393)
632/(347)
595/(457)
Примечание. В числителе дано среднее количество осадков, в знаменателе —
испарение с поверхности суши по месяцам и в скобках за год, мм.
С т р о е н и е разреза, состав и в л а ж н о с т ь п о ч в ы и грунтов з о н ы
аэрации определяют впитывающую способность почвенного
с л о я , с к о р о с т ь д в и ж е н и я п р о с а ч и в а ю щ е й с я воды ( м / с у т , с м / с ) ,
возможность достижения инфильтрующимися водами поверхнос­
ти грунтового г о р и з о н т а и л и ф о р м и р о в а н и е в е р х о в о д к и н а р а з ­
л и ч н ы х уровнях разреза з о н ы а э р а ц и и и др. (см. р и с . 7.1).
Если и н т е н с и в н о с т ь у в л а ж н е н и я п о в е р х н о с т и з е м л и б о л ь ш е ,
чем в п и т ы в а ю щ а я с п о с о б н о с т ь верхнего слоя п о ч в ы , п р о и с х о д и т
ф о р м и р о в а н и е с к л о н о в о г о стока (стекание) и н а к о п л е н и е д о ж д е ­
вых и л и снеготалых вод в п о н и ж е н и я х р е л ь е ф а с п о с л е д у ю щ и м
http://geoschool.web.ru
Глава 7. Г р у н т о в ы е в о д ы и воды з о н ы а э р а ц и и
153
р а с х о д о в а н и е м их на и с п а р е н и е и ф и л ь т р а ц и ю в п о р о д ы з о н ы
а э р а ц и и . В связи с э т и м при прочих р а в н ы х условиях (строение
з о н ы а э р а ц и и , глубина з а л е г а н и я у р о в н я грунтовых вод и д р . ) ,
наиболее благоприятные условия ф о р м и р о в а н и я инфильтрации
(и ее м а к с и м а л ь н ы е з н а ч е н и я ) х а р а к т е р н ы , к а к п р а в и л о , д л я
м и к р о п о н и ж е н и й р е л ь е ф а , в к о т о р ы х о т н о с и т е л ь н о е переувлаж­
нение поверхности определяется поступлением с к л о н о в о г о стока.
В о б щ е м случае объем воды, п о с т у п а ю щ е й через поверхность
почвы в п о ч в е н н ы й слой и далее в п о р о д ы з о н ы а э р а ц и и , в той
или и н о й мере п р е в ы ш а е т объем с о б с т в е н н о и н ф и л ь т р а ц и о н н о г о
п и т а н и я , д о с т и г а ю щ е г о уровня грунтового в о д о н о с н о г о г о р и з о н ­
та. Часть воды расходуется на внутригрунтовое и с п а р е н и е , п о г л о ­
щ е н и е к о р н е в о й с и с т е м о й р а с т е н и й и т р а н с п и р а ц и ю , а т а к ж е на
ф о р м и р о в а н и е к а п и л л я р н о й и р ы х л о с в я з а н н о й воды (при влаж­
ности пород з о н ы а э р а ц и и н и ж е уровня н а и м е н ь ш е й в л а г о е м к о с ­
ти). П р и прочих р а в н ы х условиях потери п р о с а ч и в а ю щ е й с я воды
на и с п а р е н и е , т р а н с п и р а ц и ю , ф о р м и р о в а н и е с в я з а н н о й воды за­
висят от г р а н у л о м е т р и ч е с к о г о состава и структуры " с в о б о д н о г о "
пространства пород з о н ы а э р а ц и и , о п р е д е л я ю щ и х п р о н и ц а е м о с т ь
горных п о р о д ( с к о р о с т ь п р о с а ч и в а н и я ) , а т а к ж е о т н о с и т е л ь н ы е
объемы с в я з а н н о й воды. Н а и б о л ь ш и е с к о р о с т и п р о с а ч и в а н и я (и,
с л е д о в а т е л ь н о , о т н о с и т е л ь н о м е н ь ш и е п о т е р и на и с п а р е н и е и
т р а н с п и р а ц и ю ) х а р а к т е р н ы для у с л о в и й , когда зона а э р а ц и и с л о ­
жена к р у п н о о б л о м о ч н ы м и о т л о ж е н и я м и ( к р у п н о з е р н и с т ы е п е с ­
ки, г а л е ч н и к и и др.) и л и т р е щ и н о в а т ы м и и з а к а р с т о в а н н ы м и
породами. Наиболее и н т е н с и в н о процессы п о г л о щ е н и я а т м о с ф е р ­
ных о с а д к о в п р о т е к а ю т на участках р а с п р о с т р а н е н и я н е п о с р е д ­
ственно с поверхности и н т е н с и в н о т р е щ и н о в а т ы х и з а к а р с т о в а н ных горных пород. В этом случае п р о ц е с с п и т а н и я грунтовых вод
за счет п о г л о щ е н и я а т м о с ф е р н ы х о с а д к о в вместо т е р м и н а " и н ­
фильтрация" (просачивание) чаще характеризуется понятием
" и н ф л ю а ц и я " (втекание).
Температурный режим зоны аэрации в основном определяет
д в и ж е н и е п а р о о б р а з н о й воды и п р о ц е с с ы к о н д е н с а ц и и влаги, и с ­
парение и транспирацию, изменение объемов капиллярной и
р ы х л о с в я з а н н о й воды. Н а л и ч и е с е з о н н о п р о м е р з а ю щ е г о слоя, его
м о щ н о с т ь и с к о р о с т ь п р о т а и в а н и я в р е ш а ю щ е й степени о п р е д е ­
л я ю т условия ф о р м и р о в а н и я и н ф и л ь т р а ц и о н н о г о п и т а н и я в п е ­
риод весеннего с н е г о т а я н и я . С о в м е с т н о е в л и я н и е п е р е ч и с л е н н ы х
выше факторов определяет резкие (практически от 0 до 1000 мм/год
и более) и з м е н е н и я в е л и ч и н и н ф и л ь т р а ц и о н н о г о п и т а н и я грун­
товых вод не т о л ь к о в р а з л и ч н ы х ш и р о т н о - к л и м а т и ч е с к и х зонах,
http://geoschool.web.ru
Часть II. Ф о р м и р о в а н и е р а з л и ч н ы х т и п о в п о д з е м н ы х вод
154
но лаже в пределах е д и н ы х м о р ф о с т р у к т у р н ы х э л е м е н т о в рельефа
и с м е ж н ы х участков т е р р и т о р и и (табл. 7.3).
Таблица 7.3
262
Там же, скв. 7
4.5
262
Южный берег, скв. 19
1.5
262
Там же, СКВ. 6
3.0
Там же, скв. 3, 19
Там же. скв. 5. 2
34
1,1
13
181
5,7
72
28
0,9
1 1
262
100
3,2
39
9,0
262
177
5,6
68
14
262
75
2,4
29
2
Коэффициент инфильтра­
ции, % от осадков
4,5
Модуль инфильтрационного
питания, л/с • км
Годовая сумма атмосферных
осадков, мм/год
Северо - восто 1 ны й берег
оз. Боровское, скв. 15, 17
Участок, скважина
Величина инфильтрации,
мм/год
Максимальная глубина до
уровня грунтовых вод, м
Годовые значения и н ф и л ь т р а ц и и а т м о с ф е р н ы х осадков на участках
Б о р о в с к о г о поста в 1 9 6 1 — 1 9 6 2 гг. (по А.В. Лебедеву. Т.Н. Ярцевой. 1%7)
1
Средние величины и н ф и л ь т р а ц и о н н о г о питания грунтовых
вод, р а с с ч и т а н н ы е для участков п л о щ а д ь ю д о 1000—1500 к м , и з ­
м е н я ю т с я , н а п р и м е р , для т е р р и т о р и и е в р о п е й с к о й части Р о с с и и
от 3 д о 350 м м / г о д , к о э ф ф и ц и е н т ы и н ф и л ь т р а ц и и (% от годовой
суммы а т м о с ф е р н ы х осадков) — от 1 д о 60% и более. Д л я б о л ь ­
шей части т е р р и т о р и и в зонах у м е р е н н о г о и и з б ы т о ч н о г о увлаж­
нения эта величина составляет 60—100 м м / г о д (10—15% от годо­
вой суммы осадков). В е л и ч и н ы и н ф и л ь т р а ц и о н н о г о п и т а н и я д о
200—300 м м / г о д и более ( К
> 50—60%) х а р а к т е р н ы в о с н о в н о м
для участков п о в е р х н о с т н о г о р а с п р о с т р а н е н и я т р е щ и н о в а т ы х и
и н т е н с и в н о з а к а р с т о в а н н ы х пород ( П о д з е м н ы й сток, 1964).
2
ш ф
Ф о р м и р о в а н и е конденсационного питания грунтовых вод связано
с процессом образования свободной гравитационной (вероятно,
к а п и л л я р н о - и р ы х л о с в я з а н н о й ) воды за счет молекул в о д я н о г о
пара, с о д е р ж а щ е г о с я в воздухе, з а п о л н я ю щ е м с в о б о д н о е п р о ­
странство в м и н е р а л ь н о м скелете пород зоны а э р а ц и и . О с н о в н о й
о б ъ е м к о н д е н с а ц и о н н о г о п и т а н и я г р у н т о в ы х вод ф о р м и р у е т с я
http://geoschool.web.ru
Глава 7. Г р у н т о в ы е воды и воды з о н ы а э р а ц и и
155
в л е т н и й (теплый) период года, когда з н а ч и т е л ь н ы е перепады су­
точных температур воздуха и р а с п р е д е л е н и е температур в разрезе
зоны а э р а ц и и о б е с п е ч и в а ю т с у щ е с т в о в а н и е н и с х о д я щ е г о (от п о ­
верхности земли) д в и ж е н и я молекул водяного пара под действием
градиента температур. Более и н т е н с и в н о этот процесс протекает
в условиях, когда строение и структура скважности обусловливают
относительно свободное поступление в породы зоны аэрации
влажного воздуха с поверхности земли (поверхностные проявления
карста, т р е щ и н о в а т о е ™ горных пород и др.). Д а н н ы е э к с п е р и м е н ­
тальных о ц е н о к в е л и ч и н ы к о н д е н с а ц и о н н о г о п и т а н и я грунтовых
вод свидетельствуют о том, что при прочих равных условиях объем
этого питания существенно зависит от гранулометрического состава
пород зоны а э р а ц и и (В.В. К л и м о ч к и н и др.). Н а и м е н ь ш а я и н т е н ­
сивность конденсационного питания 50—80 с м / м • суг фиксирует­
ся в суглинистых породах и супесях (пески, галечники, щебень —
до 180—250 с м / м - с у т ) , вероятно, также в связи с тем, что в этих
породах к о н д е н с и р у ю щ а я с я влага ч а с т и ч н о расходуется на ф о р ­
м и р о в а н и е р а з л и ч н ы х видов с в я з а н н о й воды.
Результаты э к с п е р и м е н т а ш н ы х оценок, выполненных для райо­
нов с р а з л и ч н ы м и п р и р о д н ы м и у с л о в и я м и , п о к а з ы в а ю т , что ве­
л и ч и н а к о н д е н с а ц и о н н о г о п и т а н и я грунтовых вод и з м е н я е т с я от
5,0 д о 80 м м / г о д (0,15—2,5 л / с • к м ) . П о о ц е н к а м В.В. К л и м о ч к и на (1975), к о н д е н с а ц и о н н о е п и т а н и е может составлять в среднем
до 30% от о б щ е г о годового п и т а н и я грунтовых вод. Д л я гумидных
территорий эта величина, в е р о я т н о , з а в ы ш е н а . С другой с т о р о н ы ,
в условиях п у с т ы н н ы х р а й о н о в ( д а н н ы е , п о л у ч е н н ы е п о К а р а к у ­
мам) о т н о с и т е л ь н о н е в ы с о к и е з н а ч е н и я к о н д е н с а ц и и , с о с т а в л я ю ­
щие 10,0—20,0 м м / г о д , в отдельные годы могут быть п р а к т и ч е с к и
е д и н с т в е н н ы м видом п и т а н и я грунтовых вод.
3
3
3
3
2
В большинстве случаев при экспериментальных и расчетных определениях
питания грунтовых вол через зону аэрации оценивается суммарная величина ин­
фильтрационного и конденсационного питания. Количественные оценки собствен­
но конденсационного питания грунтовых вод могут быть выполнены в периоды
предположительного отсутствия инфильтрации или с помощью специальных экс­
периментальных исследований в зоне аэрации.
Поглощение
поверхностных
вод ф о р м и р у е т с я на участках, где
уровень воды в п о в е р х н о с т н ы х водоемах (болота, озера, водохра­
н и л и щ а ) и водотоках (реки, ручьи, к а н а л ы и др.) располагается
г и п с о м е т р и ч е с к и в ы ш е уровня п о д з е м н ы х вод первого в о д о н о с ­
ного г о р и з о н т а . Т а к и е у с л о в и я н а и б о л е е х а р а к т е р н ы д л я ц е н т ральных частей в ы с о к и х м е ж д у р е ч н ы х п р о с т р а н с т в , п р е д г о р н ы х
равнин, возвышенных участков горного рельефа, районов рас­
п р о с т р а н е н и я карста и др. Р а з н и ц а уровней воды обусловливает
http://geoschool.web.ru
Часть II. Ф о р м и р о в а н и е р а з л и ч н ы х т и п о в п о д з е м н ы х вод
156
наличие градиента н а п о р а (см. гл. 5), о п р е д е л я ю щ е г о возможность
н и с х о д я щ е й ф и л ь т р а ц и и через л о ж е водоема (русло реки и др.) в
залегающий ниже грунтовый водоносный горизонт. Скорость
ф и л ь т р а ц и и и расходы потока на е д и н и ц у п о г л о щ а ю щ е й поверх­
н о с т и ( м , к м ) о п р е д е л я ю т с я п р е ж д е всего ф и л ь т р а ц и о н н ы м и
с в о й с т в а м и (Аф) д о н н ы х или русловых о т л о ж е н и й и з а л е г а ю щ и х
н и ж е пород з о н ы а э р а ц и и (грунтового в о д о н о с н о г о горизонта).
В о б щ е м случае в з а в и с и м о с т и от с т р о е н и я разреза и условий
в з а и м о д е й с т в и я п о в е р х н о с т н ы х и п о д з е м н ы х вод могут б ы т ь в ы ­
д е л е н ы три р а з л и ч н ы е схемы п о г л о щ е н и я : I) с отсутствием гид­
равлической связи поверхностных и подземных вод, 2) с наличием
гидравлической связи при п о с т о я н н о м п о л о ж е н и и поверхностных
вод в ы ш е уровня ф у н т о в о г о водоносного горизонта, 3) с наличием
гидравлической связи при периодическом п о л о ж е н и и поверхност­
ных вод в ы ш е уровня ф у н т о в о г о водоносного горизонта (рис. 7.2).
2
2
Рис. 7.2. Схемы формирования питания грунтового водоносного горизонта за
счет поглощения поверхностных вод: а — схема "свободной" фильтрации; б —
"подпорной" фильтрации; в — периодического питания при подъемах уровня
поверхностных вод. / — проницаемые (водоносные) породы; 2 — слабопроницае­
мые породы; 3 — уровень фунтовых вод; 4 — положение уровня фунтовых вод на
различные периоды времени при "мгновенном" подъеме уровня поверхностных
вод; 5 — уровень поверхностных вод; 6 — направления движения грунтовых вод
П о г л о щ е н и е п о в е р х н о с т н ы х вод в отсутствие г и д р а в л и ч е с к о й
связи ф о р м и р у е т с я г л а в н ы м образом на участках с глубоким зале­
ганием уровня грунтовых вод при д в у х с л о й н о м с т р о е н и и разреза
с о т н о с и т е л ь н о м е н ь ш е й п р о н и ц а е м о с т ь ю п о р о д верхнего слоя
http://geoschool.web.ru
Глава 7. Г р у н т о в ы е воды и воды з о н ы а э р а ц и и
157
(см. рис. 7.2, а). Подобное строение разреза з о н ы аэрации встреча­
ется д о с т а т о ч н о часто при залегании с у щ е с т в е н н о глинистых а л ­
л ю в и а л ь н ы х о т л о ж е н и й ( п о й м е н н а я ф а ц и я аллювия), л е д н и к о в ы х
валунных с у г л и н к о в , п р о л ю в и а л ь н о - а л л ю в и а л ь н ы х , п о к р о в н ы х и
других о т л о ж е н и й н а в ы с о к о п р о н и ц а е м ы х к р у п н о о б л о м о ч н ы х ,
и н т е н с и в н о - т р е щ и н о в а т ы х и з а к а р с т о в а н н ы х породах. Во многих
случаях при о д н о р о д н о м с т р о е н и и разреза, п р е д с т а в л е н н о г о в ы ­
сокопроницаемыми породами, роль слабопроницаемого экрана
между п о в е р х н о с т н ы м и и г р у н т о в ы м и водами играет о т н о с и т е л ь ­
но м а л о м о щ н ы й слой русловых (донных) отложений, высокие
фильтрационные сопротивления которого определяются кольмат а ц и е й ф и л ь т р у ю щ е г о п р о с т р а н с т в а (даже в ы с о к о п р о н и ц а е м ы х
пород) г л и н и с т ы м м а т е р и а л о м , наиболее и н т е н с и в н о п р о и с х о д я ­
щей в условиях п о г л о щ е н и я п о в е р х н о с т н ы х вод ( з а и л е н и е р у с л о ­
вых о т л о ж е н и й ) .
В условиях двухслойного строения разреза зона н а с ы щ е н и я
под руслом (дном водоема) ф о р м и р у е т с я т о л ь к о в породах сла­
б о п р о н и ц а е м о г о с л о я . Н и ж е его п о д о ш в ы в п о р о д а х с о т н о с и ­
тельно б о л ь ш е й п р о н и ц а е м о с т ь ю до уровня грунтовых вод с у щ е ­
ствует зона н е п о л н о г о н а с ы щ е н и я со с в о б о д н ы м п р о с а ч и в а н и е м
воды, ф и л ь т р у ю щ е й с я через с л а б о п р о н и ц а е м ы й слой. В соответ­
ствии с этим п о д о б н а я схема п о г л о щ е н и я п о в е р х н о с т н ы х вод у с ­
л о в н о называется схемой свободной фильтрации ( п о г л о щ е н и я ) .
При поглощении поверхностных вод по схеме свободной фильт­
рации скорость фильтрации из водоема и расход воды на единицу
поверхности д н а водоема ( м , к м ) в о с н о в н о м о п р е д е л я ю т с я з н а ­
чением п р о н и ц а е м о с т и
верхнего слоя. О д н а к о в этом случае
ф и л ь т р а ц и я воды на участке I—2 (см. рис. 7.2, а) осуществляется
с б о л ь ш и м и з н а ч е н и я м и н а п о р н о г о градиента У (см. гл. 5).
В общем случае при малой м о щ н о с т и руслового слабопроницае­
мого слоя з н а ч е н и е н а п о р н о г о градиента м о ж е т б ы т ь б о л ь ш е 1,
что определяет относительно в ы с о к и е скорости ф и л ь т р а ц и и и рас­
ходы п о г л о щ е н и я поверхностных вод даже при низких з н а ч е н и я х
п р о н и ц а е м о с т и верхнего слоя: К = Ю — Ю м/сут.
Д в и ж е н и е грунтовых вод под з о н о й п о г л о щ е н и я формируется в
соответствии с распределением н а п о р о в или в о д н о м н а п р а в л е н и и ,
или в виде двух с м е ж н ы х п о т о к о в г р у н т о в ы х вод, р а з д е л е н н ы х
водоразделом (см. рис. 7.2, а).
П р и н а л и ч и и г и д р а в л и ч е с к о й связи п о в е р х н о с т н ы х и грунто­
вых вод и п о с т о я н н о м п о л о ж е н и и п о в е р х н о с т н ы х вод в ы ш е уров­
ня грунтового в о д о н о с н о г о горизонта под руслом реки или д н о м
водоема существует зона п о с т о я н н о г о н а с ы щ е н и я (см. рис. 7.2, б).
Ф о р м и р у ю т с я потоки грунтовых вод, н а п р а в л е н н ы е в обе с т о р о 2
2
0
- 2
- 4
{)
http://geoschool.web.ru
158
Часть II. Ф о р м и р о в а н и е р а з л и ч н ы х т и п о в п о д з е м н ы х вод
ны от русла реки, или р а д и а л ь н о р а с х о д я щ и й с я поток грунтовых
вод при ф и л ь т р а ц и и из водоема. Ф и л ь т р а ц и о н н ы е потери из рус­
ла (расход на е д и н и ц у д л и н ы русла м / с у т * м, м / е у т * км) в этом
случае определяются главным образом п р о в о д и м о с т ь ю пласта
(Km) и р а з н о с т ь ю н а п о р о в ( Я , — Н ) в п р и р у с л о в о й части потока
(см. рис. 7.2, о), о б е с п е ч и в а ю щ и х о т г о к грунтовых вод от з о н ы
поглощения. При формировании поглощения непосредственно в
прирусловой части потока грунтовых вод всегда ф и к с и р у е т с я о п ­
р е д е л е н н ы й подъем (подпор) их у р о в н я , в соответствии с чем эта
схема не совсем п р а в и л ь н о называется схемой подпорной ф и л ь т ­
рации.
П р и н а л и ч и и гидравлической связи и п е р и о д и ч е с к о м п о л о ж е ­
н и и п о в е р х н о с т н ы х вод в ы ш е уровня грунтового в о д о н о с н о г о го­
р и з о н т а п о г л о щ е н и е п о в е р х н о с т н ы х вод п р о и с х о д и т т о л ь к о при
подъемах уровня п о в е р х н о с т н ы х вод ( п а в о д к и , половодья, п р и л и ­
вы и др.). При спаде уровней поверхностных вод и при его низких
п о л о ж е н и я х осуществляется разгрузка грунтовых вод в русло реки
(см. рис. 7.2, в). В период подъема уровня п о в е р х н о с т н ы х вод в
п р и р у с л о в о й части п о т о к а грунтовых вод создается " о б р а т н а я "
разность н а п о р о в , о п р е д е л я ю щ а я ф и л ь т р а ц и ю ( п о г л о щ е н и е ) п о ­
верхностных вод в берега и ф о р м и р о в а н и е з о н ы п е р и о д и ч е с к о г о
н а с ы щ е н и я и подъема уровня грунтовых вод.
Р а з м е р ы з о н ы п е р и о д и ч е с к о г о н а с ы щ е н и я и п о л о ж е н и е ее
верхней границы (уровня грунтовых вод) существенно и з м е н я ю т с я
во времени, в связи с чем подобная схема взаимодействия поверх­
н о с т н ы х и п о д з е м н ы х вод называется нестационарным
подпором
грунтовых вод при ф и л ь т р а ц и и из русла (водоема). При п о с т о я н ­
ном подъеме уровня поверхностных вод (создание водохранилища)
в п р е д е л ь н о м случае через о п р е д е л е н н ы й д л и т е л ь н ы й и н т е р в а л
в р е м е н и в результате ф и л ь т р а ц и и п о в е р х н о с т н ы х вод в берега,
притока по пласту и местного и н ф и л ь т р а ц и о н н о г о питания ф о р ­
мируется новое (стационарное, с т а ц и о н а р н ы й подпор) положение
уровня грунтовых вод (см. рис. 7.2, в), при котором в о с с т а н а в л и ­
вается их разгрузка в реку или в о д о х р а н и л и щ е .
3
3
2
Процесс формирования нестационарною подпора в крупных речных долинах
при прохождении половодий и паводков подробно рассмотрен Б.И. Куделиным
(I960). Им показано, что при взаимодействии поверхностных и подземных вод
по этой схеме практически не происходит собственно питания грунтовых вол.
поскольку за вычетом расходов на испарение и транспирацию практически весь
объем речных вол, профильтровавшихся в берега при подъеме уровня, возвраща­
ется обратно в русло на нисходящей стадии половодья (при спаде уровней по­
верхностных вод). Этот процесс может рассматриваться в качестве так называе­
мою процесса берегового регулирования речного стока. В то же время этот процесс
может иметь существенное значение для формирования минерализации и хими-
http://geoschool.web.ru
Глава 7. Г р у н т о в ы е воды и воды з о н ы а э р а ц и и
159
ческою состава грунтовых вод в прибрежной зоне, загрязнения грунтовых вод
при неблагополучном санитарном состоянии речных вод и др.
При залегании уровня грунтовых вол ниже уровня поверхностных
вод ф о р м и р о в а н и е той или и н о й схемы п о г л о щ е н и я (см. рис. 7.2)
о п р е д е л я е т с я п р е ж д е всего с т р о е н и е м разреза, п р о н и ц а е м о с т ь ю
породы з о н ы а э р а ц и и и г л у б и н о й з а л е г а н и я у р о в н я г р у н т о в ы х
вод. П о с к о л ь к у эти х а р а к т е р и с т и к и могут д о в о л ь н о с и л ь н о и з м е ­
няться по д л и н е русла реки и даже во времени ( и з м е н е н и е русло­
вых с о п р о т и в л е н и й при о т л о ж е н и и или п е р е о т л о ж е н и и д о н н ы х
осадков, п о д м ы в е и о б р у ш е н и и берегов, с е з о н н ы е подъемы у р о в ­
ня грунтовых вод и т.д.), схема в з а и м о д е й с т в и я поверхностных и
грунтовых вод (от участка к участку или в р а з л и ч н ы е с е з о н ы года
и т.д.) может м е н я т ь с я . В соответствии с этим в каждом к о н к р е т ­
ном случае о б о с н о в а н и е схемы п о г л о щ е н и я п о в е р х н о с т н ы х вод
(на д а н н о м участке) может б ы т ь о с н о в а н о т о л ь к о на ф а к т и ч е с к и х
д а н н ы х о п о л о ж е н и и уровня грунтовых вод под руслом реки (во­
доема) или н е п о с р е д с т в е н н о в п р и р у с л о в о й части потока грунто­
вых вод (см. рис. 7.2).
Питание грунтовых вод за счет восходящей фильтрации из н и ж е ­
лежащих горизонтов в о з м о ж н о на участках, где пьезометрическая
поверхность н а п о р н ы х вод устанавливается в ы ш е уровня грунто­
вого в о д о н о с н о г о горизонта (рис. 7.3).
Рис. 7.3. Схема формирования питания грунтовых вод за счет фильтрации из
нижележащего водоносного горизонта: / — грунтовые воды; 2 — межпластовый водоносный горизонт; .? — пьезометрический уровень межпластовых вод;
4 — затрудненная рассредоточенная фильтрация (перетекание); 5 — локальное
интенсивное перетекание; 6 — фильтрация по "гидрогеологическим о к н а м "
(остальные обозначения см. рис. 7.2)
http://geoschool.web.ru
Часть II. Ф о р м и р о в а н и е р а з л и ч н ы х т и п о в п о д з е м н ы х вод
160
П о д о б н о е с о о т н о ш е н и е уровней х а р а к т е р н о г л а в н ы м о б р а з о м
для о т н о с и т е л ь н о п о н и ж е н н ы х участков т е р р и т о р и и ( д н и щ а р е ч ­
н ы х д о л и н , глубокие б е с с т о ч н ы е в п а д и н ы , о з е р н ы е к о т л о в и н ы ,
з а б о л о ч е н н ы е н и з м е н н о с т и и др.). На таких участках н и з к о е п о ­
л о ж е н и е у р о в н я г р у н т о в ы х вод о п р е д е л я е т с я н а л и ч и е м б л и з к о
р а с п о л о ж е н н ы х з о н их и н т е н с и в н о й р а з г р у з к и . С о о т н о ш е н и е
уровней ф у н т о в ы х и более глубоких подземных вод обусловливает
в этом случае н а л и ч и е соответствующей р а з н о с т и н а п о р о в АН и
м е ж п л а с т о в о г о н а п о р н о г о градиента У , о п р е д е л я ю щ е г о в о з м о ж ­
ность с у б в е р т и к а л ь н о й восходящей ф и л ь т р а ц и и из н и ж е л е ж а щ е г о
в о д о н о с н о г о горизонта (см. рис. 7.3). П р и п о с т о я н н о м (в преде­
лах участка) з н а ч е н и и р а з н о с т и н а п о р о в АН характер и в е л и ч и н ы
восходящей ф и л ь т р а ц и и в грунтовый в о д о н о с н ы й горизонт в р е ­
ш а ю щ е й степени о п р е д е л я ю т с я ф и л ь т р а ц и о н н ы м и с в о й с т в а м и K
и м о щ н о с т ь ю т р а з д е л я ю щ е г о с л а б о п р о н и ц а е м о г о слоя. В обла­
сти с п л о ш н о г о р а с п р о с т р а н е н и я п о р о д с л а б о п р о н и ц а е м о г о слоя
условия в о с х о д я щ е й ф и л ь т р а ц и и наиболее з а т р у д н е н н ы е и, с л е ­
д о в а т е л ь н о , н а и м е н ь ш и е (на е д и н и ц у п л о щ а д и ) в е л и ч и н ы пита­
н и я грунтового в о д о н о с н о г о г о р и з о н т а . П о д о б н а я з а т р у д н е н н а я
субвертикальная ф и л ь т р а ц и я через в ы д е р ж а н н ы е с л а б о п р о н и ц а е ­
м ы е слои о б ы ч н о называется перетеканием
(межпластовое п е р е ­
текание).
0
Q
0
На участках, где п о р о д ы с л а б о п р о н и ц а е м о г о слоя характеризу­
ются б о л е е в ы с о к и м и з н а ч е н и я м и п р о н и ц а е м о с т и ( и з м е н е н и е
гранулометрического состава, зоны с интенсивной трещиноватостью
и др.) или у м е н ь ш е н и е м его м о щ н о с т и (древние э р о з и о н н ы е раз­
м ы в ы и др.), условия в з а и м о д е й с т в и я с м е ж н ы х г о р и з о н т о в более
б л а г о п р и я т н ы и в е л и ч и н ы п и т а н и я грунтовых вод о т н о с и т е л ь н о
б о л ь ш е ( л о к а л ь н о е интенсивное перетекание).
Наиболее благопри­
я т н ы е условия в з а и м о д е й с т в и я с м е ж н ы х г о р и з о н т о в и в о б щ е м
случае н а и б о л ь ш и е в е л и ч и н ы п и т а н и я х а р а к т е р н ы для участков с
о т к р ы т о й г и д р а в л и ч е с к о й с в я з ь ю (отсутствием п о р о д с л а б о п р о ­
н и ц а е м о г о слоя). Т а к и е участки, с в я з а н н ы е с з о н а м и ф а ц и а л ь н о го з а м е щ е н и я с л а б о п р о н и ц а е м ы х пород, глубокими э р о з и о н н ы м и
р а з м ы в а м и , з о н а м и т е к т о н и ч е с к и х н а р у ш е н и й и др. (см. рис. 7.3),
у с л о в н о н а з ы в а ю т с я гидрогеологическими
"окнами",
по к о т о р ы м
осуществляется о т к р ы т а я гидравлическая связь двух с м е ж н ы х в о ­
доносных горизонтов.
В реальных условиях участки с различной степенью связи ф у н ­
товых и более глубоких подземных вод характеризуется р а з л и ч н ы ­
ми з н а ч е н и я м и р а з н о с т и н а п о р о в (при прочих р а в н ы х условиях
АН п р я м о п р о п о р ц и о н а л ь н а з н а ч е н и ю ф и л ь т р а ц и о н н о г о с о п р о -
http://geoschool.web.ru
Глава 7. Г р у н т о в ы е в о д ы и воды з о н ы а э р а ц и и
161
т и а т е н и я разделяющего с л о я ) , и распределение величин питания
грунтовых вод за счет п е р е т е к а н и я из н и ж е л е ж а щ е г о г о р и з о н т а
значительно сложнее. В общем случае даже при относительно низкой
проницаемости пород разделяющего слоя (К = I О — IО" м/сут) в
связи с в о з м о ж н о с т ь ю существования значительных напорных гра­
диентов (до J> I) и б о л ь ш о й п л о щ а д ь ю п о п е р е ч н о г о с е ч е н и я п о ­
тока (см. гл. 5) величины подобного питания грунтовых вод могут
достигать 1,0—1,5 л / с • к м (30—50 мм/год) и более.
На участках, где грунтовый в о д о н о с н ы й горизонт подстилает­
ся т р е щ и н о в а т ы м и и л и з а к а р с т о в а н н ы м и п о р о д а м и , п и т а н и е
грунтовых вод за счет п р и т о к а из н и ж е л е ж а щ и х г о р и з о н т о в осу­
ществляется г л а в н ы м о б р а з о м на л о к а л ь н ы х участках по з о н а м
интенсивной трещиноватости (закарстованности). Условия фильт­
рации и о б ъ е м ы п и т а н и я могут б ы т ь р а з л и ч н ы м и в з а в и с и м о с т и
от типа и с т р о е н и я к о н к р е т н о й з о н ы , глубины ее з а л о ж е н и я , гид­
р о д и н а м и ч е с к о г о р е ж и м а и др. (см. гл. 9).
Искусственное
п и т а н и е грунтовых вод. В связи с и н т е н с и в н ы м
развитием х о з я й с т в е н н о й д е я т е л ь н о с т и п р о и с х о д и т п о с т е п е н н о е
с о к р а щ е н и е т е р р и т о р и й с с о х р а н е н и е м естественных условий (ес­
тественного р е ж и м а ) п и т а н и я грунтовых вод. Р а с п а ш к а ц е л и н н ы х
земель, вырубка леса, с е л ь с к о х о з я й с т в е н н а я м е л и о р а ц и я , г и д р о ­
техническое строительство и другие виды х о з я й с т в е н н о й д е я т е л ь ­
ности ч е л о в е к а п р и в о д я т к тем или и н ы м и з м е н е н и я м условий
естественного п и т а н и я грунтовых вод на о б ш и р н ы х территориях.
На и з м е н е н и е условий п и т а н и я грунтовых вод о с о б е н н о с и л ь н о
влияют те виды хозяйственной деятельности, с к о т о р ы м и связаны
резкие и з м е н е н и я водного р е ж и м а и и н т е н с и в н о с т и у в л а ж н е н и я
поверхности земли (орошение, обводнение пастбищ, создание
прудов и в о д о х р а н и л и щ и др.). В целом м о ж н о считать, что на
земном шаре в развитых в х о з я й с т в е н н о м о т н о ш е н и и странах в
настоящее время практически отсутствуют сколько-нибудь крупные
регионы с с о х р а н е н и е м а б с о л ю т н о естественных ( н е н а р у ш е н н ы х )
условий ф о р м и р о в а н и я п и т а н и я грунтовых вод. В соответствии с
этим существует некоторая неопределенность с понятиями естест­
венное и искусственное
питание грунтовых вод. Рассматривая р а з ­
л и ч н ы е виды и с т е п е н ь и з м е н е н и я естественных условий ф о р м и ­
р о в а н и я п и т а н и я грунтовых вод, п р а в и л ь н е е о п р е д е л я т ь их как
условия е с т е с т в е н н о - а н т р о п о г е н н ы е (т.е. е с т е с т в е н н ы е у с л о в и я ,
в той или и н о й мере и з м е н е н н ы е а н т р о п о г е н н ы м воздействием).
При этом в качестве с о б с т в е н н о искусственного
питания грунто­
вых вод следует рассматривать п и т а н и е , ф о р м и р у ю щ е е с я в связи
с инженерно-хозяйственными мероприятиями, непосредственной
3
{)
2
http://geoschool.web.ru
4
162
Часть II. Ф о р м и р о в а н и е р а з л и ч н ы х т и п о в п о д з е м н ы х вод
целью к о т о р ы х является у в е л и ч е н и е з а п а с о в грунтовых вод. О с ­
н о в н ы е м е р о п р и я т и я этого т и п а — с о з д а н и е и н ф и л ь т р а ц и о н н ы х
бассейнов, п о г л о щ а ю щ и х колодцев, нагнетательных с к в а ж и н и др.
(см. гл. 14).
Разгрузка ф у н т о в ы х вод осуществляется в виде родников, фильт­
рацией в русла рек или д н о водоемов при наличии гидравлической
связи грунтовых и п о в е р х н о с т н ы х вод, путем и с п а р е н и я , перете­
канием в нижележащие водоносные горизонты, искусственным
путем.
Родниками
(источниками) называются естественные выходы
п о д з е м н ы х вод (в том ч и с л е грунтовых) на п о в е р х н о с т ь з е м л и .
О б р а з о в а н и е и с т о ч н и к а как ф о р м ы разгрузки грунтовых вод о п ­
ределяется главным о б р а з о м двумя п р и ч и н а м и : э р о з и о н н о й р а с ­
ч л е н е н н о с т ь ю рельефа, о б у с л о в л и в а ю щ е й в с к р ы т и е в о д о н о с н о г о
горизонта э р о з и о н н ы м и врезами (понижениями в рельефе), и
ф и л ь т р а ц и о н н о й н е о д н о р о д н о с т ь ю в о д о в м е щ а ю щ и х пород, обус­
ловливающей неравномерную обводненность разреза, наличие
в ы с о к о п р о н и ц а е м ы х участков, зон и н т е н с и в н о й т р е щ и н о в а т о с т и
и з а к а р с т о в а н н о с т и , н а л и ч и е с л а б о п р о н и ц а е м ы х э к р а н о в и др.
С о б с т в е н н о р о д н и к а м и называются, как правило, к о н ц е н т р и р о ­
ванные о д и н о ч н ы е выходы подземных вод, однако такая разгрузка
происходит также в виде высачиваний ( м а л о д е б и т н ы е рассредото­
ч е н н ы е выходы), линейных или пластовых выходов, с определенной
п р о т я ж е н н о с т ь ю , групповых выходов ( н е с к о л ь к о б л и з к о р а с п о л о ­
ж е н н ы х и с т о ч н и к о в ) и др.
В гидрогеологической литературе рассматривается ряд клас­
с и ф и к а ц и й и с т о ч н и к о в ( п о т и п а м п о д з е м н ы х вод, т и п у в о д о ­
в м е щ а ю щ и х п о р о д , х а р а к т е р у выхода на п о в е р х н о с т ь , д е б и т а м
и с т о ч н и к о в , температуре и др.), р а з р а б о т а н н ы х М.Е. А л ь т о в с к и м ,
O . K . Л а н г е , Н.А. М а р и н о в ы м , A . M . О в ч и н н и к о в ы м , Ф . П . С а в а р е н с к и м , Н . И . Т о л с т и х и н ы м и др.
П о характеру и условиям выхода с о б с т в е н н о грунтовых вод на
п о в е р х н о с т ь з е м л и и с т о ч н и к и п о д р а з д е л я ю т с я на к о н т а к т о в ы е ,
эрозионные, экранированные, субфлювиальные и субаквальные
(рис. 7.4).
Контактовые выходы ф у н т о в ы х вод (родники) образуются в том
случае, когда э р о з и о н н ы е врезы в с к р ы в а ю т к о н т а к т в о д о н о с н ы х
пород (грунтового горизонта) с п о д с т и л а ю щ и м и с л а б о п р о н и ц а е ­
м ы м и породами (рис. 7.4). Разгрузка грунтовых вод к о н т а к т о в о г о
т и п а н е р е д к о п р о я в л я е т с я в виде р а с с р е д о т о ч е н н о г о в ы с а ч и в а н и я , п л а с т о в ы х или г р у п п о в ы х в ы х о д о в м а р к и р у ю щ и х г р а н и ц у
р а с п р о с т р а н е н и я в о д о н о с н ы х п о р о д ( к о н т а к т со с л а б о п р о н и ц а е ­
м ы м и п о р о д а м и ) на о п р е д е л е н н о м п р о т я ж е н и и . П р и в с к р ы т и и
http://geoschool.web.ru
Глава 7. Г р у н т о в ы е воды и воды з о н ы а э р а ц и и
163
э р о з и о н н ы м врезом п е р е с л а и в а н и я в о д о н о с н ы х и с л а б о п р о н и ц а е ­
мых г о р н ы х п о р о д к о н т а к т о в а я разгрузка м о ж е т п р о я в л я т ь с я в
виде я р у с н о р а с п о л о ж е н н ы х выходов п о д з е м н ы х вод, п р и у р о ч е н ­
ных к п о д о ш в е ( к о н т а к т а м ) н е с к о л ь к и х в о д о н о с н ы х горизонтов.
По характеру выхода к о н т а к т о в ы е и с т о ч н и к и всегда н и с х о д я щ и е .
Как правило, о н и дают весьма достоверную и н ф о р м а ц и ю о грани­
цах распространения водоносного горизонта, его водообильности,
м и н е р а л и з а ц и и и температуре п о д з е м н ы х вод и др.
Рис. 7.4. Основные схемы формирования естественных выходов (источников)
грунтовых вод: а — контактовый; б — дспрессионные; в — экранированный;
г — субфлювиальный. / — проницаемые (водоносные) породы; 2 — слабопро­
ницаемые породы; 3 — рыхлые склоновые образования; 4 — уровень грунтовых
вод; 5 — родник; 6 — направление движения грунтовых вод; 7 — разгрузка
грунтовых вод испарением
Эрозионные (правильнее — д с п р е с с и о н н ы е ) и с т о ч н и к и образу­
ются, когда э р о з и о н н ы е врезы в с к р ы в а ю т уровень ф у н т о в ы х вод,
не прорезая весь водоносный горизонт до подстилающего водоупора (см. рис. 7.4, б). Ф о р м и р о в а н и е подобных выходов характерно
для п о н и ж е н и й в т ы л о в ы х швах р е ч н ы х и о з е р н ы х террас, з а б о ­
л о ч е н н ы х н и з м е н н о с т е й , а т а к ж е для мелких э р о з и о н н ы х врезов
(овраги, п р о м о и н ы , б а л к и и др.) на участках с о т н о с и т е л ь н о н е ­
глубоким з а л е г а н и е м у р о в н я грунтовых вод. Во м н о г и х случаях
источники этого т и п а и м е ю т с е з о н н ы й характер, так как в п е р и о ­
ды с н и з к и м п о л о ж е н и е м уровня грунтовых вод, м е л к и е э р о з и ­
о н н ы е врезы не д о с т и г а ю т п о в е р х н о с т и в о д о н о с н о г о горизонта.
В общем случае д е п р е с с и о н н ы е выходы грунтовых вод д р е н и р у ю т
только верхнюю часть водоносного горизонта, а о с н о в н а я разгруз­
ка осуществляется н и ж е по потоку в более глубоких э р о з и о н н ы х
врезах.
http://geoschool.web.ru
Часть II. Ф о р м и р о в а н и е р а з л и ч н ы х т и п о в п о д з е м н ы х вод
164
Экранированные
выходы ( и с т о ч н и к и ) грунтовых вод ф о р м и р у ­
ются в условиях, когда поток грунтовых вод (по н а п р а в л е н и ю д в и ­
жения) достигает границы распространения слабопроницаемых
пород ( э к р а н а ) .
П о д о б н ы е условия разгрузки характерны для оползневых с к л о ­
нов, а также для участков ф а ц и а л ь н о г о или тектонического э к р а ­
н и р о в а н и я водоносных пород (см. рис. 7.2, в). Наличие с л а б о п р о ­
ницаемого э к р а н а приводит к местному подъему уровня грунтовых
вод и к ф о р м и р о в а н и ю на более высоких отметках в о п р е д е л е н ­
ной мере " в о с х о д я щ е й " (подпертой) разгрузки грунтовых вод.
Субфлювиапьными
A . M . О в ч и н н и к о в назвал выходы грунтовых
вод, п е р е к р ы т ы е р ы х л ы м и с к л о н о в ы м и о т л о ж е н и я м и , к о т о р ы е
образуются главным образом при к о н т а к т о в ы х ф о р м а х разгрузки
(см. рис. 7.4, г). Н а л и ч и е рыхлых с к л о н о в ы х о б р а з о в а н и й п р и в о ­
дит к тому, что грунтовые в о д ы , р а з г р у ж а ю щ и е с я на контакте в о ­
д о н о с н ы х и с л а б о п р о н и ц а е м ы х п о р о д , не о б р а з у ю т о т д е л ь н о г о
выхода ( р о д н и к а ) , а ф и л ь т р у ю т с я в р ы х л ы е о т л о ж е н и я , разгружа­
ясь в виде и с т о ч н и к о в ( в ы с а ч и в а н и й ) на более н и з к и х отметках
или путем и с п а р е н и я и т р а н с п и р а ц и и .
Субаквальными р о д н и к а м и называются сосредоточенные выходы
п о д з е м н ы х вод ( г р у п п о в ы е в ы х о д ы , пластовая разгрузка и д р . ) ,
ф о р м и р у ю щ и е с я в руслах рек или на д н е водоемов н и ж е уровня
поверхностных вод.
Д е б и т ы и с т о ч н и к о в , или расходы воды ( л / с , м / с и т.д.), и з ­
м е н я ю т с я в ш и р о к и х пределах в з а в и с и м о с т и от состава и п р о ­
ницаемости водовмещающих пород, а также условий вскрытия
в о д о н о с н о г о г о р и з о н т а и характера выхода. П о к л а с с и ф и к а ц и и
H . А. М а р и н о в а и Н . И . Толстихина, источники по величине дебита
подразделяются на м а л о д е б и т н ы е (менее I л / с ) , с р е д н е д е б и т н ы е
(I —10 л / с ) и в ы с о к о д е б и т н ы е (более Ю л / с ) .
Наиболее крупные источники и групповые выходы с дебитом до
I, 0—10 м / с и более с в я з а н ы , как правило, с и н т е н с и в н о закарстованными породами, зонами интенсивной тектонической трещиноватости с к а л ь н ы х пород, м о л о д ы м и э ф ф у з и в н ы м и породами и
к р у п н о о б л о м о ч н ы м и о с а д о ч н ы м и о т л о ж е н и я м и (см. гл. 10, 11).
Разгрузка грунтовых вод при н а л и ч и и гидравлической связи с
п о в е р х н о с т н ы м и в о д а м и ф о р м и р у е т с я н е п о с р е д с т в е н н о в русла
рек и водоемы н и ж е уровня поверхности вод (см. рис. 7.2). В за­
в и с и м о с т и от с т р о е н и я гидрогеологического разреза, а также р а с ­
пределения фильтрационных свойств водовмещающих пород и
"руслового" слоя разгрузка этого типа осуществляется л и б о в виде
р а с с р е д о т о ч е н н о й ( о т н о с и т е л ь н о р а в н о м е р н о й ) ф и л ь т р а ц и и через
д о н н ы е о т л о ж е н и я , л и б о путем к о н ц е н т р и р о в а н н ы х субаквальных
3
3
http://geoschool.web.ru
Глава 7. Г р у н т о в ы е воды и в о д ы з о н ы а э р а ц и и
165
выходов ( р о д н и к о в ) . В б о л ь ш и н с т в е случаев при н&тичии гидрав­
л и ч е с к о й связи грунтовых и п о в е р х н о с т н ы х вод ф о р м и р у е т с я дву­
с т о р о н н и й п р и т о к к д р е н е (см. рис. 7.2) с ф о р м и р о в а н и е м под
руслом реки границы между двумя р а з н о н а п р а в л е н н ы м и потоками
ф у н т о в ы х вод (условия полного дренирования потока грунтовых вод).
О д н а к о в с п е ц и ф и ч е с к и х условиях (карст, т р е щ и н о в а т ы е породы
и др.) в о з м о ж н о с у щ е с т в о в а н и е участков с о д н о с т о р о н н е й р а з ­
грузкой, когда часть потока " п р о с к а к и в а е т " под руслом в н а п р а в ­
л е н и и более глубокой д р е н ы ( н е п о л н о е д р е н и р о в а н и е ) . В этом
случае на п р о т и в о п о л о ж н о м от участка разгрузки берегу уровень
грунтовых вод м о ж е т залегать н и ж е уровня п о в е р х н о с т н ы х вод,
что о б е с п е ч и в а е т т а к ж е в о з м о ж н о с т ь п и т а н и я грунтовых вод за
счет п о г л о щ е н и я поверхностных.
Схема с ф о р м и р о в а н и е м разгрузки при низких положениях уров­
ня поверхностных вод и п о г л о щ е н и я при подъемах уровня воды в
реке, озере и других водоемах р а с с м о т р е н а в ы ш е (см. рис. 7.2).
Испарение я в л я е т с я о д н и м из о с н о в н ы х в и д о в р а з г р у з к и на
участках с неглубоким залеганием уровня ф у н т о в ы х вод. Собствен­
но разгрузка грунтовых вод в этом случае может осуществляться
тремя путями: испарением с поверхности почвы, когда капиллярная
к а й м а , ф о р м и р у ю щ а я с я над у р о в н е м г р у н т о в ы х вод, д о с т и г а е т
почвенного слоя ( и с п а р е н и е с к а п и л л я р н о й к а й м ы ) ; и с п а р е н и е в
породы зоны а э р а ц и и при глубоком залегании уровня грунтовых
вод (внутригрунтовое испарение); п о г л о щ е н и е воды корневой с и с ­
темой р а с т е н и й в случае, если о н а д о с т и г а е т у р о в н я грунтовых
вод или поверхности к а п и л л я р н о й к а й м ы ( т р а н с п и р а ц и я ) .
На участках с глубоким залеганием уровня грунтовых вод испарение влаги из
почвенного слоя, верхней части зоны аэрации и поглощение воды корневой сис­
темой растений не могут рассматриваться как разгрузка грунтовых вод, посколь­
ку в этом случае расходуется вода зоны аэрации, еще не достигшая уровня грун­
тового водоносного горизонта. Эти процессы определяют водный режим пород
зоны аэрации, в значительной степени снижая возможную суммарную величину
питания грунтовых вод за счет инфильтрации атмосферных осадков и конденса­
ции, но не являются собственно разгрузкой грунтовых вод.
Исходя из этого о ч е в и д н о , что с у м м а р н а я в е л и ч и н а разгрузки
грунтовых вод и с п а р е н и е м , кроме величин р а д и а ц и о н н о г о баланса
(температура воздуха и п о ч в е н н о г о с л о я , характер ее внутригодового, с е з о н н о г о , суточного и з м е н е н и я и др.), определяется глуби­
ной залегания уровня грунтовых вод, с т р о е н и е м и составом п о р о д
зоны а э р а ц и и , о п р е д е л я ю щ и м и высоту к а п и л л я р н о г о п о д н я т и я ,
наличием и видом растительности. О р и е н т и р о в о ч н а я о ц е н к а вели­
чины разгрузки грунтовых вод испарением может быть выполнена,
н а п р и м е р , по ф о р м у л е , п р е д л о ж е н н о й С . Ф . А в е р ь я н о в ы м (1956):
http://geoschool.web.ru
Часть II. Ф о р м и р о в а н и е р а з л и ч н ы х т и п о в п о д з е м н ы х вод
166
н_
W, = Z, I
(7.2)
где W. — и н т е н с и в н о с т ь и с п а р е н и я с уровня грунтовых вод; Z —
м а к с и м а л ь н о в о з м о ж н а я при д а н н ы х к л и м а т и ч е с к и х условиях ве­
л и ч и н а и с п а р е н и я (так н а з ы в а е м а я и с п а р я е м о с т ь , п р и н и м а е м а я
р а в н о й и с п а р е н и ю с о т к р ы т о й водной поверхности); Н — глуби­
на залегания у р о в н я грунтовых вод; Н — к р и т и ч е с к а я глубина
залегания; п — э м п и р и ч е с к и й к о э ф ф и ц и е н т , з а в и с я щ и й от строе­
ния и состава пород з о н ы а э р а ц и и ( « = I—3). К р и т и ч е с к а я глуби­
на залегания ( Я ) в о б щ е м случае определяется с т р о е н и е м з о н ы
а э р а ц и и и видом р а с т и т е л ь н о с т и и о ц е н и в а е т с я э м п и р и ч е с к и м
п у т е м , или р а с с ч и т ы в а е т с я и с х о д я из в е л и ч и н ы к а п и л л я р н о г о
п о д н я т и я . В соответствии с видом з а в и с и м о с т и (7.2) при з н а ч е ­
ниях Я > Я разгрузка грунтовых вод и с п а р е н и е м п р е к р а щ а е т с я .
О д н а к о это не совсем верно, п о с к о л ь к у и в этих условиях воз­
м о ж н а о г р а н и ч е н н а я разгрузка грунтовых вод путем " в н у т р и г р у н т о в о г о " и с п а р е н и я (табл. 7.4). П р и м а л ы х г л у б и н а х з а л е г а н и я
грунтовых вод ( о т н о с и т е л ь н о Я ) и з н а ч е н и я х э м п и р и ч е с к о г о к о ­
э ф ф и ц и е н т а n > I и н т е н с и в н о с т ь разгрузки грунтовых вод и с п а р е ­
н и е м может п р е в ы ш а т ь величину м а к с и м а л ь н о в о з м о ж н о г о и с п а ­
р е н и я . Это о б ъ я с н я е т с я более и н т е н с и в н ы м прогревом почвы по
с р а в н е н и ю с водной п о в е р х н о с т ь ю , н а л и ч и е м т р а н с п и р а ц и и р а с ­
т и т е л ь н о с т ь ю , а т а к ж е б о л ь ш и м и р а з м е р а м и и с п а р я ю щ е й поверх­
ности (с учетом агрегатного с т р о е н и я почвы).
0
к
к
к
к
Таблица 7.4
Распределение величин р а з г р у з к и г р у н т о в ы х вод и с п а р е н и е м на балансовых
участках Северо-Казахстанской г и д р о г е о л о г и ч е с к о й с т а н ц и и 1 9 6 0 — 1 9 6 1 гг.
(Лебедев. Ярцева. 1967)
Максимальная
глубина до уровня
грунтовых вод, м
Испарение
грунтовых
вод, мм/год
Восточный берег оз. Копа, скв. 16
3.0
94
Там же. скв. 69а
4.5
20
Пойма р. Ишим, скв. 83
2,5
123
Левый берег р. Ишим. скв. 507
10,0
6,0
Надпойменная терраса р. Чагдинка, скв. 36
1,5
139
Котловина оз. Чаглы-Тенгиз. скв. 38а
2,0
112
Там же. скв. 45а
5,0
60
Участок (скважина)
http://geoschool.web.ru
Глава 7. Г р у н т о в ы е воды и воды з о н ы а э р а ц и и
167
В л и я н и е п е р е ч и с л е н н ы х в ы ш е ф а к т о р о в п р и в о д и т к тому, что
даже в е д и н ы х к л и м а т и ч е с к и х и л а н д ш а ф т н ы х условиях величина
разгрузки грунтовых вод и с п а р е н и е м и з м е н я е т с я в ш и р о к и х п р е ­
делах (см. табл. 7.4).
Разгрузка грунтовых вод за счет перетекания
в нижележащие
г о р и з о н т ы в о з м о ж н а на участках, где у р о в е н ь грунтового в о д о ­
н о с н о г о г о р и з о н т а залегает г и п с о м е т р и ч е с к и в ы ш е п ь е з о м е т р и ­
ческой поверхности более глубоких подземных вод. Подобное с о ­
о т н о ш е н и е уровней характерно главным образом для относительно
п о в ы ш е н н ы х участков территории, удаленных от областей и н т е н ­
сивной разгрузки ф у н т о в ы х вод (центральные части междуречных
пространств, высокие надпойменные террасы, предгорные равнины
и др.). Указанное с о о т н о ш е н и е уровней определяет существование
вертикального (межпластового) н а п о р н о г о градиента, о б у с л о в л и ­
вающего возможность ф о р м и р о в а н и я субвертикальной нисходящей
фильтрации грунтовых вод в н и ж е л е ж а щ и е водоносные горизонты.
Условия ф о р м и р о в а н и я н и с х о д я щ е й м е ж п л а с т о в о й ф и л ь т р а ц и и
грунтовых вод, р а с п р е д е л е н и е величин и другие параметры а н а ­
л о г и ч н ы р а с с м о т р е н н ы м в ы ш е (см. рис. 7.3 с о б р а т н ы м з н а к о м ) .
Искусственная
разгрузка ф у н т о в ы х вод формируется на участ­
ках, где уровень водоносного горизонта вскрывается г о р н ы м и в ы ­
работками или л ю б ы м и техногенными п о н и ж е н и я м и , создаваемы­
ми на поверхности земли (шахты, карьеры, котлованы, д о р о ж н ы е
в ы е м к и и др.). С п е ц и ф и ч е с к и м и участками разгрузки я в л я ю т с я
д р е н а ж н ы е с о о р у ж е н и я ( к а н а в ы , к а н а л ы и др.), создаваемые с п е ­
циально для с н и ж е н и я уровня грунтовых вод, и в о д о з а б о р н ы е с о ­
оружения (колодцы, скважины, галереи), с п о м о щ ь ю которых
осуществляется э к с п л у а т а ц и я (водоотбор) грунтовых вод.
Распределение напоров в грунтовом водоносном горизонте,
о п р е д е л я ю щ е е з а к о н о м е р н о с т и и н а п р а в л е н и я д в и ж е н и я грунто­
вых вод (см. гл. 5), ф о р м и р у е т с я в связи с р а с п р е д е л е н и е м в е л и ­
чин их п и т а н и я и разгрузки. П о с к о л ь к у п и т а н и е грунтовых вод
п р и н ц и п и а л ь н о в о з м о ж н о в пределах всей п л о щ а д и р а с п р о с т р а ­
н е н и я грунтового в о д о н о с н о г о г о р и з о н т а , а о с н о в н а я разгрузка
(дренирование) осуществляется преимущественно в понижениях
рельефа, о б щ е й з а к о н о м е р н о с т ь ю является д в и ж е н и е грунтовых
вод в н а п р а в л е н и и от о т н о с и т е л ь н о п р и п о д н я т ы х участков т е р р и ­
тории к п о н и ж е н н ы м элементам рельефа. В этих же направлениях
происходит п о с т е п е н н о е с н и ж е н и е н а п о р о в грунтовых вод.
При о п р е д е л е н и и в е л и ч и н ы н а п о р а грунтовых вод (в каждой
к о н к р е т н о й точке) в качестве е д и н о й п л о с к о с т и с р а в н е н и я , как
правило, п р и н и м а е т с я у р о в е н ь М и р о в о г о о к е а н а , в с в я з и с чем
http://geoschool.web.ru
168
Часть II. Ф о р м и р о в а н и е р а з л и ч н ы х т и п о в п о д з е м н ы х вод
величина напора соответствует абсолютной отметке уровня грунто­
вых вод (в д а н н о й точке), за и с к л ю ч е н и е м участков, где давление
на верхней границе горизонта не р а в н о а т м о с ф е р н о м у . В з а в и с и ­
мости от п о л о ж е н и я точки в потоке грунтовых вод п ь е з о м е т р и и р а с с т о я н и е до плоскости с р а в н е н и я (z)
У '
могут быть р а з л и ч н ы м и , но в каждом с е ч е н и и п р о ф и л ь н о г о п о ­
тока в е л и ч и н а н а п о р а будет соответствовать а б с о л ю т н о й отметке
поверхности грунтовых вод.
При наличии на п л о щ а д и р а с п р о с т р а н е н и я в о д о н о с н о г о г о р и ­
зонта системы точек с известной а б с о л ю т н о й о т м е т к о й п о в е р х н о ­
сти грунтовых вод эти точки (или п р о м е ж у т о ч н ы е , п о л у ч е н н ы е
путем и н т е р п о л я ц и и ) могут быть с о е д и н е н ы п л а в н ы м и к р и в ы м и
л и н и я м и , н а з ы в а е м ы м и г и д р о и з о г и п с а м и (см. рис. 5.5).
Гидроизогипсы — л и н и и , с о е д и н я ю щ и е точки с о д и н а к о в о й а б ­
солютной отметкой поверхности (уровня) грунтовых вод, являются
линиями равного напора. Система этих л и н и й , построенная для л ю ­
бого участка т е р р и т о р и и , характеризует п о л о ж е н и е ( а б с о л ю т н ы е
отметки) реально существующей поверхности грунтового
водоносного
горизонта, а также распределение напоров грунтовых вод в преде­
лах рассматриваемого участка. В соответствии с о б щ е й з а к о н о м е р ­
н о с т ь ю р а с п р е д е л е н и я н а п о р о в грунтовых вод эта п о в е р х н о с т ь ,
как правило, в с г л а ж е н н о й ф о р м е повторяет поверхность з е м л и ,
с н и ж а я с ь от в о з в ы ш е н н ы х ( м е ж д у р е ч н ы х ) участков т е р р и т о р и и
к д р е н и р у ю щ и м п о н и ж е н и я м в рельефе. В пределах каждого меж­
дуречного пространства, ограниченного дренами, формируются
два р а з н о н а п р а в л е н н ы х потока грунтовых вод, р а з д е л е н н ы х п о д ­
з е м н ы м водоразделом.
Т а к и м о б р а з о м , м о ж н о считать, что в н о р м а л ь н ы х условиях в
грунтовом в о д о н о с н о м г о р и з о н т е ф о р м и р у е т с я система местных
п о т о к о в грунтовых вод, г и д р о д и н а м и ч е с к и е г р а н и ц ы которых о п ­
ределяются с о в р е м е н н ы м р е л ь е ф о м т е р р и т о р и и (водоразделы) и
к о н ф и г у р а ц и е й г и д р о г р а ф и ч е с к о й сети (дрены).
Как уже у к а з ы в а л о с ь в ы ш е ( Н . Н . Хаджибаев, В.М. Ш е с т а к о в
и др.), существует представление о потоках п о д з е м н ы х вод, в ы д е ­
л я е м ы х на основе л и т о л о г о - г е н е т и ч е с к о г о т и п а в о д о в м е щ а ю щ и х
пород, г е о м о р ф о л о г и ч е с к и х э л е м е н т о в или геологических струк­
тур (потоки п о д з е м н ы х вод во ф л ю в и о г л я ц и а л ь н ы х или а л л ю в и ­
альных о т л о ж е н и я х , в речных д о л и н а х , предгорных склонах, л о ­
к а л ь н ы х структурах и д р . ) . П р и м е н и т е л ь н о к г р у н т о в о м у в о д о ­
н о с н о м у горизонту выделение п о т о к о в по э т и м п р и н ц и п а м всегда
ческая высота
http://geoschool.web.ru
Глава 7. Г р у н т о в ы е воды и воды з о н ы а э р а ц и и
169
условно. Во-первых, г р а н и ц ы л и т о г е н с т и ч е с к и х к о м п л е к с о в , гео­
м о р ф о л о г и ч е с к и х э л е м е н т о в и т.п. в б о л ь ш и н с т в е случаев не я в ­
ляются г и д р о д и н а м и ч е с к и м и границами, поскольку через них
осуществляется д в и ж е н и е грунтовых вод. Во-вторых, в пределах
таких э л е м е н т о в (поток грунтовых вод ф л ю в и о г л я ц и а л ь н о й р а в ­
н и н ы , п р е д г о р н о г о с к л о н а и д р . ) в б о л ь ш и н с т в е случаев т а к ж е
существует система " м е с т н ы х " г и д р о д и н а м и ч е с к и х о б о с о б л е н н ы х
п о т о к о в грунтовых в о д , г р а н и ц ы к о т о р ы х о п р е д е л я ю т с я с о в р е ­
м е н н ы м рельефом и к о н ф и г у р а ц и е й г и д р о г р а ф и ч е с к о й сети.
7.2.2. Режим и баланс грунтовых вод
В с о о т в е т с т в и и с у р а в н е н и е м (5.18) в о д н ы й б а л а н с л ю б о г о
элемента (участка) грунтового в о д о н о с н о г о горизонта может б ы т ь
представлен в следующем виде:
W +K+Q
+Q +W +Q
^1101)
К
Н
1!
-р
«чр
-Z-Q
II
«41
-Р
д и
= ц ——- F,
-Q
г
И
1
(7.3.)
v
'
где W — и н ф и л ь т р а ц и о н н о е п и т а н и е грунтовых вод; К — к о н ­
денсация; Q
—- п о г л о щ е н и е поверхностных вод; Q — п р и т о к
из н и ж е л е ж а щ и х в о д о н о с н ы х г о р и з о н т о в ; W — и с к у с с т в е н н о е
питание; +Q — п р и т о к грунтовых вод из с м е ж н о г о элемента п о ­
тока; Р — разгрузка грунтовых вод на поверхность; Z — разгрузка
с у м м а р н ы м и с п а р е н и е м ; Q — перетекание в н и ж е л е ж а щ и й в о д о ­
н о с н ы й г о р и з о н т ; Р — и с к у с с т в е н н а я разгрузка; -Q
— отток
грунтовых вод в с м е ж н ы й элемент потока (все элементы уравне­
ния могут быть выражены в единицах расхода: м / с у т , м / г о д и т.д;
или слоя воды, рассчитанного на площадь участка: м м / г о д , мм/сут
и т.д.); ц — г р а в и т а ц и о н н а я е м к о с т ь в о д о в м е щ а ю щ и х пород ( н е ­
достаток н а с ы щ е н и я п р и подъеме или водоотдача п р и п о н и ж е н и и
уровня грунтовых вод); АН — и з м е н е н и е уровня грунтовых вод в
рассматриваемом элементе потока за расчетный период At ( м м , м ) ;
У — п л о щ а д ь участка ( м , к м ) .
uou
H
H
и
p
i{
п
vp
3
7
2
3
2
О ц е н к а всех составляющих общего балансового уравнения (7.3)
является с л о ж н о й , поэтому балансовые о ц е н к и о б ы ч н о проводятся
для участков и л и п е р и о д о в года, в пределах которых о т д е л ь н ы е
элементы водного баланса грунтового горизонта равны нулю ( н а ­
пример, (? = 0; Z = 0 и т.д.), и л и п о у п р о щ е н н ы м з а в и с и м о с т я м
вида
1ЮВ
W -P±Q ±AQ -Q=liAHF,
n
u
lv
http://geoschool.web.ru
(7.4)
Часть II. Ф о р м и р о в а н и е р а з л и ч н ы х т и п о в п о д з е м н ы х вод
170
где W = (W+ К+ Q + WJ — с у м м а р н о е п и т а н и е грунтовых вод
с поверхности; P=(Z + Р ) — разгрузка ф у н т о в ы х вод на поверх­
ность; ±Q — приток (+) из нижележащих горизонтов или отток (-)
в н и ж е л е ж а щ и е г о р и з о н т ы ; ± Д ( ? — р а з н о с т ь п р и т о к а и оттока
по грунтовому в о д о н о с н о м у горизонту; Q — э к с п л у а т а ц и я грун­
товых вод (рис. 7.5).
В о б щ е м случае г р а н и ц ы б а л а н с о в о г о участка (в плане) могут
иметь более с л о ж н у ю к о н ф и г у р а ц и ю , чем это п о к а з а н о на рис. 7.5,
и не являться н е п р о н и ц а е м ы м и . Э т о в определенной мере услож­
няет балансовые расчеты, н о не меняет их условий. Каждая грани­
ца (участок границы) балансового элемента водоносного горизонта
д о л ж н а быть о х а р а к т е р и з о в а н а з н а ч е н и е м расхода (±Q) и л и у с л о ­
вием Q= 0.
Ч л е н б а л а н с о в о г о у р а в н е н и я (7.4) ±цАЯУ = А V х а р а к т е р и з у е т
и з м е н е н и е (баланс) объема с в о б о д н ы х г р а в и т а ц и о н н ы х вод (А К),
с о д е р ж а щ и х с я в р а с с м а т р и в а е м о м э л е м е н т е грунтового в о д о н о с ­
ного горизонта за р а с ч е т н ы й период времени (At).
Т а к и м о б р а з о м , с о о т н о ш е н и е п р и х о д н ы х (+) и расходных (-)
с о с т а в л я ю щ и х водного баланса за р а с ч е т н ы й период времени (At)
определяет увеличение (+AV) или у м е н ь ш е н и е (-AV) объема грави­
т а ц и о н н ы х вод, содержащихся в рассматриваемом элементе пласта,
что п р и в о д и т к подъему уровня грунтовых вод (+АН) и н а с ы щ е ­
н и ю о п р е д е л е н н о г о объема пород з о н ы а э р а ц и и и л и к с н и ж е н и ю
у р о в н я г р у н т о в ы х в о д (-АН) и о с у ш е н и ю ч а с т и о б ъ е м а п о р о д
грунтового в о д о н о с н о г о горизонта,
u
U0H
п
u
гр
3
7
а
w
n
Y B r v If
"Г
2УВЦ4
ix\\' ; x- : :i
:
:
tQ
H
:
:
5
Рис. 7.5. Схема формирования вод­
ного баланса элемента грунтового
водоносного горизонта: а — в раз­
резе; 6 — в плане. / — проницае­
мые (водоносные) породы; 2 — сла­
бопроницаемые породы (подошва
горизонта); 3 — границы балансо­
вого элемента в плане (линии то­
ков); 4 — уровень грунтовых вод на
начало расчетного периода; 5 —
возможное положение уровня на
конец расчетного периода и соот­
ветствующая величина ±ЛЯ; 6 —
направление движения грунтовых
вод; 7 — водозаборный колодец
(скважина); 8 — балансовый эле­
мент (в плане)
http://geoschool.web.ru
Глава 7. Г р у н т о в ы е воды и воды з о н ы а э р а ц и и
171
Величина подъема или с н и ж е н и я уровня грунтовых вод (±ЛЯ)
определяется п о с т у п л е н и е м (оттоком) воды на е д и н и ц у п л о щ а д и
балансового участка в т е ч е н и е расчетного периода (At), которое
может б ы т ь в ы р а ж е н о у д е л ь н ы м о б ъ е м о м (V, м / к м ) , с р е д н и м
значением удельного расхода (Q , м / с у т * к м ) , модулем местного
питания или разгрузки (М, л / с • к м ) , или слоем воды ( м м / с у т ,
мм/год и т.д.), и з н а ч е н и е м г р а в и т а ц и о н н о й е м к о с т и (ц — н е ­
достаток н а с ы щ е н и я п о р о д з о н ы а э р а ц и и при п о д ъ е м е у р о в н я
фунтовых вод или водоотдача пород грунтового водоносного гори­
зонта при п о н и ж е н и и уровня). При выражении поступления (отто­
ка) воды на площадь балансового участка в виде слоя (U, мм/год,
мм/сут и т.д.) величина подъема или с н и ж е н и я уровня грунтовых
вод за этот период связана с в е л и ч и н о й слоя воды с о о т н о ш е н и е м
3
3
2
2
v
2
±Д# = - ,
V-
(7.5)
которое показывает, что при равных расходах воды (питание) из­
менение уровней грунтовых вод (+АН) наиболее резко происходит
в породах с н и з к и м и з н а ч е н и я м и г р а в и т а ц и о н н о й е м к о с т и (на­
пример, в породах с т р е щ и н н о й пустотностью, см. гл. 3).
П о х а р а к т е р у и з м е н е н и я в е л и ч и н по п л о щ а д и б а л а н с о в о г о
участка и во в р е м е н и , а также их к о л и ч е с т в е н н о й о ц е н к и н а и б о ­
лее с л о ж н ы м и э л е м е н т а м и у р а в н е н и я (7.4) я в л я ю т с я W , Z, К,
(2 , Р , х а р а к т е р и з у ю щ и е в з а и м о д е й с т в и е грунтового в о д о н о с ­
ного горизонта через зону аэрации с поверхностью земли (поверх­
ностными водами и атмосферой). Распределение этих величин по
площади балансового участка определяется характером поверхности
земли, р е ж и м о м ее у в л а ж н е н и я , с т р о е н и е м и с о с т а в о м п о р о д
зоны а э р а ц и и , т е м п е р а т у р н ы м р е ж и м о м воздуха, п о ч в е н н о г о слоя
и пород зоны аэрации. Н о даже при прочих равных условиях и з ­
менение этих величин по площади и во времени существенно ме­
няется в зависимости от глубины залегания уровня грунтовых вод.
u
Г|0В
п
В о б щ е м случае с о о т н о ш е н и е величины атмосферного питания
грунтовых вод W+ К и разгрузки и с п а р е н и е м Z с и з м е н е н и е м
глубины залегания уровня грунтовых вод может б ы т ь о х а р а к т е р и ­
зовано з а в и с и м о с т ь ю , п р и в е д е н н о й на рис. 7.6. Характер з а в и с и ­
мости п о к а з ы в а е т , что п р и о п р е д е л е н н ы х г л у б и н а х з а л е г а н и я
(меньше h ) в о з м о ж н о с о о т н о ш е н и е W+ К~ Z , при к о т о р о м в
балансовом с м ы с л е в о д о о б м е н через зону а э р а ц и и равен нулю.
П и т а н и е грунтовых вод, ф о р м и р у ю щ е е с я за счет и н ф и л ь т р а ц и и
W в периоды у в л а ж н е н и я поверхности и к о н д е н с а ц и и К, у р а в н о ­
вешивается расходом грунтовых вод на и с п а р е н и е и т р а н с п и р а -
http://geoschool.web.ru
Часть II. Ф о р м и р о в а н и е р а з л и ч н ы х т и п о в
п о д з е м н ы х вод
172
-W разгрузка
испарением
W, мм/год
+W питание
-150 -100 -50
0
50
100
150
Рис. 7.6. Характер изменения величины ин­
ф и л ь т р а ц и о н н о г о п и т а н и я и разгрузки
грунтовых вод испарением в зависимости от
глубины их залегания (по И.С. Пашковскому)
цию растительностью Z в теплый
п е р и о д года. П р и м е н ь ш и х глубиN
нах залегания разгрузка на и с п а р е \
ние и т р а н с п и р а ц и ю превышает
\
с у м м а р н у ю в е л и ч и н у п и т а н и я , при
^
б о л ь ш и х глубинах — в о д о о б м е н
\
горизонта с п о в е р х н о с т ь ю характе\
ризуется наличием атмосферного
п и т а н и я (W+ К>0), в е л и ч и н а к о ­
торого возрастает с увеличением
глубины залегания и стремится к п о с т о я н н о м у з н а ч е н и ю при не­
которой глубине залегания (h>h
). Результаты балансовых о ц е н о к
п и т а н и я и разгрузки грунтовых вод п о к а з ы в а ю т , что и з м е н е н и е
глубин залегания грунтовых вод от участка к участку, в различные
с е з о н ы года и в м н о г о л е т н е м периоде определяет с л о ж н о е соот­
н о ш е н и е величин W. К, Z , Q (табл. 7.5).
p
6
8
ч
1 0
м
1
p
Таблица 7.5
Баланс г р у н т о в ы х вод на участках Б о р о в с к о г о поста за 1 9 6 0 — 1 9 6 1 гг.
Изменение уровней грунто­
вых вод за 1960—1961 гг., м
-39
-0,20
51
-22
-17
-0,26
100
182
+59
-82
-0,15
4,5
177
-
-220
+ 177
-0,23
11,0
75
-
-84
+75
-0.06
Урез оз. Боровское, скв. 2
2,3
181
73
То же, скв. 19
0,8
28
67
То же, скв. 15—17
4.0
34
Урез оз. Зотово, скв. 6
1.5
То же. скв. 3—19
То же. скв. 2—5
http://geoschool.web.ru
Питание (+), раз1рузка (-)
грунтовых вод, мм
+9,0
Разгрузка испарением, мм
-0,17
Инфильтрация атмосфер­
ных осадков, мм
+ 108
Расчетный участок
Средняя глубина залегания
уровня грунтовых вод, м
Приток к балансовому
участку (+), отток (-)
(Лебедев. Ярцева. 1967)
-133
Глава 7. Г р у н т о в ы е воды и воды з о н ы а э р а ц и и
173
И з м е н е н и я э л е м е н т о в водного б а л а н с а грунтового в о д о н о с н о ­
го горизонта во времени (в течение года, в м н о г о л е т н е м периоде
и т.д.) о п р е д е л я ю т о с о б е н н о с т и г и д р о г е о д и н а м и ч е с к о г о р е ж и м а
грунтовых вод, к о т о р ы й проявляется в и з м е н е н и и уровней грун­
товых вод (глубин з а л е г а н и я ) , с к о р о с т е й и расходов грунтовых
потоков, дебитов источников. В о б щ е м случае с периодами ф о р ­
мирования и н т е н с и в н о г о питания грунтовых вод связаны периоды
подъема у р о в н я , п о п о л н е н и е з а п а с о в грунтовых вод, увеличение
дебитов источников и т.д. В периоды отсутствия питания или отно­
сительного у м е н ь ш е н и я его величин происходят сработка запасов
грунтовых вод за счет ф о р м и р о в а н и я р а з л и ч н ы х видов разгрузки,
с н и ж е н и е уровней, у м е н ь ш е н и е дебитов и с т о ч н и к о в (см. рис. 5.4).
О д н а к о в каждом к о н к р е т н о м случае эти о б щ и е з а к о н о м е р н о с т и
проявляются по-разному. В зависимости от глубин залегания грун­
товых вод, типа в о д о в м е щ а ю щ и х пород и других ф а к т о р о в к о л е ­
бания уровней не с о в п а д а ю т по времени и амплитуде. П р и отсут­
ствии (малых величинах) местного п и т а н и я подъем уровня может
быть связан с у в е л и ч е н и е м п р и т о к а со с м е ж н ы х участков. И н т е н ­
сивное п и т а н и е грунтовых вод, к о м п е н с и р у ю щ е е с я у в е л и ч е н и е м
оттока в с м е ж н ы е б л о к и или в н и ж е л е ж а щ и й в о д о н о с н ы й гори­
зонт, не п р и в о д и т к з а м е т н о м у п о в ы ш е н и ю у р о в н е й грунтовых
вод и т.д.
О с о б е н н о с т и ф о р м и р о в а н и я р е ж и м а грунтовых вод и его связь
с о с н о в н ы м и р е ж и м о о б р а з у ю щ и м и ф а к т о р а м и (см. гл. 5) м о ж н о
представить исходя из п р и н ц и п о в р а й о н и р о в а н и я т е р р и т о р и и по
типу р е ж и м а грунтовых вод (Г.Н. К а м е н с к и й , А.А. К о н о п л я н ц е в ,
B.C. К о в а л е в с к и й и др.).
Наиболее к р у п н о й е д и н и ц е й р а й о н и р о в а н и я является провин­
ция, выделяемая по типу климатических условий территории, о п ­
ределяющих количество атмосферных осадков и их распределение
внутри года, с р е д н е г о д о в ы е т е м п е р а т у р ы воздуха, их и з м е н е н и е
от сезона к сезону и др.
В пределах т е р р и т о р и и Р о с с и и в ц е л о м в ы д е л е н о т р и т и п а
п р о в и н ц и й ( К о в а л е в с к и й , 1983): I) кратковременного летнего п и ­
тания грунтовых вод и их п р о м е р з а н и я в з и м н и й период (область
р а с п р о с т р а н е н и я м н о г о л е т н е м е р з л ы х пород); 2) с е з о н н о г о весен­
не-летнего п и т а н и я на т е р р и т о р и я х с з и м н и м п р о м е р з а н и е м зоны
а э р а ц и и , для которой характерны в е с е н н и й (период с н е г о т а я н и я )
и осенний максимумы и летне-осенний и предвесенний минимумы
уровня грунтовых вод (см. рис. 5.4); 3) з и м н е - в е с е н н е г о п и т а н и я
(при отсутствии или с п о р а д и ч е с к о м п р о м е р з а н и и з о н ы а э р а ц и и )
с м а к с и м а л ь н ы м и подъемами уровня в конце зимы—начале весны
и м и н и м у м о м в л е т н е - о с е н н и й период.
http://geoschool.web.ru
Часть II. Ф о р м и р о в а н и е р а з л и ч н ы х т и п о в п о д з е м н ы х вод
174
В каждой п р о в и н ц и и п о с т е п е н и у в л а ж н е н и я выделяются т р и
з о н ы : обильного
(К^>\),
умеренного
(А" =0,5—1,3) и скудного
( А < ( ) , 5 ) п и т а н и я грунтовых вод:
у
K ={\-K )j-,
y
(7.6)
n
где A — к о э ф ф и ц и е н т у в л а ж н е н и я ; А — к о э ф ф и ц и е н т поверх­
ностного стока, доли е д и н и ц ы ; X — годовая сумма о с а д к о в , м м ;
Z — испаряемость, мм/год.
С о о т н о ш е н и я годовой суммы осадков, испарения и поверхност­
н о г о стока п р и п р о ч и х р а в н ы х у с л о в и я х о п р е д е л я ю т в е л и ч и н у
п и т а н и я грунтовых вод и, следовательно, в о б щ е м случае а м п л и ­
туды к о л е б а н и й у р о в н е й , и з м е н е н и е д е б и т о в и с т о ч н и к о в и т.д.
В пределах территорий, единых п о внутри годовому распределе­
нию и потенциальным величинам питания, различия гидродинами­
ческого режима ф у н т о в ы х вод в решающей степени определяются
у с л о в и я м и д р е н и р о в а н и я . Э т о учитывается в ы д е л е н и е м областей
с различной глубиной и степенью эрозионной расчлененности
рельефа: с л а б о д р е н и р о в а н н ы е области с глубиной расчлененности
до 50—60 м и густотой э р о з и о н н о й сети менее 0,3 к м / к м , д р е н и ­
р о в а н н ы е — 150—200 м и 0,4—0,9 к м / к м и с и л ь н о д р е н и р о в а н ные — более 200 м и более 1 к м / к м .
Глубина и с т е п е н ь э р о з и о н н о й р а с ч л е н е н н о с т и рельефа о п р е ­
д е л я ю т глубины залегания уровня грунтовых вод, р а с с т о я н и я от
ц е н т р а л ь н ы х частей междуречных пространств д о д р е н (длина пу­
тей ф и л ь т р а ц и и ) , у к л о н ы грунтовых п о т о к о в и, с л е д о в а т е л ь н о ,
скорости их д в и ж е н и я , что в р е ш а ю щ е й степени определяет о с о ­
б е н н о с т и г и д р о д и н а м и ч е с к о г о р е ж и м а грунтовых вод. В з н а ч и ­
тельной мере д р е н и р о в а н н о с т ь т е р р и т о р и и определяет также и н ­
т е н с и в н о с т ь п р о ц е с с о в п о в е р х н о с т н о г о стока, что обусловливает
различие величин п и т а н и я грунтовых вод.
На т е р р и т о р и и области гидрогеологические
районы с е д и н ы м и
у с л о в и я м и ф о р м и р о в а н и я р е ж и м а грунтовых вод выделяются на
основе единства строения и состава в о д о в м е щ а ю щ и х пород ( в о ­
д о н о с н ы й горизонт) и пород з о н ы а э р а ц и и . С т р о е н и е гидрогео­
л о г и ч е с к о г о разреза и с о с т а в п о р о д о п р е д е л я ю т в э т о м случае
параметры водоносного горизонта и зоны аэрации, а следовательно,
условия (расходы) питания и разгрузки грунтовых вод, взаимодей­
ствие с н и ж е л е ж а щ и м и горизонтами, скорости и расходы потока
грунтовых вод. Н а и б о л е е р е з к о состав горных пород проявляется
в ф о р м и р о в а н и и р е ж и м а т р е щ и н н ы х и т р е щ и н н о - к а р с т о в ы х вод
(см. гл. 9).
v
п
()
2
2
2
http://geoschool.web.ru
Глава 7. Г р у н т о в ы е воды и воды з о н ы а э р а ц и и
175
В границах гидрогеологических р а й о н о в участки с р а з л и ч н ы м и
видами р е ж и м а грунтовых вод выделяются с учетом о с о б е н н о с т е й
строения рельефа т е р р и т о р и и : м е ж д у р е ч н ы й вид р е ж и м а , с к л о н о ­
вый, террасовый и приречный (приозерный, приморский). При
этом учитывается г л а в н ы м образом характер г и д р о д и н а м и ч е с к и х
г р а н и ц п о т о к о в и условия ф о р м и р о в а н и я приходных и расходных
статей б а л а н с а грунтового в о д о н о с н о г о горизонта (рис. 7.7).
1
2 и**'
3
4|
1>
Рис. 7.7. Схема формирования междуречного режима фунтовых вод:
/ — проницаемые (водоносные) породы; 2 — слабопроницаемые
породы; 3 — положение уровня грунтовых вод в периоды интен­
сивного питания (макс) и отсутствия питания (мин); 4 — направ­
ления движения грунтовых вод; 5 — примерные границы области
с междуречным типом режима
Геотемпературный
режим грунтовых вод ф о р м и р у е т с я под воз­
действием суточных, с е з о н н ы х и м н о г о л е т н и х к о л е б а н и й т е м п е ­
ратур воздуха у поверхности з е м л и , н а к л а д ы в а ю щ и х с я на п о с т о ­
я н н ы й тепловой поток, п о с т у п а ю щ и й из недр З е м л и .
В соответствии с этим в вертикальном разрезе л и т о с ф е р ы ниже
п о в е р х н о с т и земли могут б ы т ь в ы д е л е н ы п о с л е д о в а т е л ь н о : з о н а
суточных к о л е б а н и й т е м п е р а т у р ы , годовых, м н о г о л е т н и х колеба­
ний и зона относительно постоянных температур (нейтральный
слой), температура которого п р и м е р н о соответствует среднегодовой
температуре воздуха д а н н о г о р а й о н а .
Р а с п р о с т р а н е н и е а т м о с ф е р н ы х к о л е б а н и й температуры в верх­
н ю ю часть л и т о с ф е р ы о с у щ е с т в л я е т с я путем м о л е к у л я р н о - д и ф ф у з и о н н о г о п е р е н о с а тепла через п о р о д ы з о н ы а э р а ц и и и в виде
конвективного переноса тепла с нисходящими потоками подземных
вод. П о д а н н ы м B . C . К о в а л е в с к о г о , р а с п р о с т р а н е н и е к о л е б а н и й
т е м п е р а т у р на глубину п р о и с х о д и т п р а к т и ч е с к и без и з м е н е н и я
периода колебаний (суточный, годовой, многолетний). Период
времени между м и н и м у м а м и и м а к с и м у м а м и температуры на раз-
http://geoschool.web.ru
176
Часть II. Ф о р м и р о в а н и е р а з л и ч н ы х т и п о в п о д з е м н ы х вод
л и ч н ы х глубинах остается п р и м е р н о о д и н а к о в ы м при о п р е д е л е н ­
ном сдвиге в р е м е н и н а с т у п л е н и я м и н и м у м о в и м а к с и м у м о в по
с р а в н е н и ю с температурой воздуха у поверхности земли. В то ж е
время с у в е л и ч е н и е м глубины залегания происходит п о с т е п е н н о е
у м е н ь ш е н и е а б с о л ю т н ы х з н а ч е н и й м а к с и м а л ь н ы х годовых т е м п е ­
ратур и у в е л и ч е н и е м и н и м а л ь н ы х т е м п е р а т у р , а с л е д о в а т е л ь н о ,
постепенное уменьшение амплитуды изменения температур. В пре­
делах " н е й т р а л ь н о г о " слоя амплитуды колебания температур прак­
тически равны нулю.
Наиболее существенные и з м е н е н и я температуры грунтовых вод
(геотермический режим грунтового водоносного горизонта) о п р е ­
деляются, как правило, характером годовых (сезонных) колебаний
температур. В зависимости от глубины залегания и климатических
условий местности температура грунтовых вод в течение года м о ­
жет и з м е н я т ь с я от о т р и ц а т е л ь н ы х температур в северных р а й о н а х
с п р о м е р з а н и е м грунтовых вод д о 30—35°С и более в а р и д н ы х з о ­
нах. Амплитуда и з м е н е н и я температуры грунтовых вод в годовом
периоде (значения максимальной и минимальной температур)
также определяется глубиной залегания грунтовых вод и к л и м а т и ­
ческими условиями местности и может достигать 15—20°С и более
(B.C. Ковалевский). Глубины п р о я в л е н и я годовых колебаний т е м ­
пературы грунтовых вод в зависимости от строения разреза и к л и ­
матических условий местности достигают 20—40 м.
С у т о ч н ы е к о л е б а н и я температуры грунтовых вод о т н о с и т е л ь н о
резко проявляются только в районах с к о н т и н е н т а л ь н ы м климатом
в л е т н и й п е р и о д п р и глубинах з а л е г а н и я у р о в н я грунтовых вод
менее 1 м. П р и глубинах залегания уровня более 2,0—2,5 м суточ­
ные к о л е б а н и я температуры грунтовых вод, как п р а в и л о , не ф и к ­
сируются.
Нисходящая фильтрация подземных вод на участках интенсив­
ного питания, как правило, при относительно высокой п р о н и ц а е ­
мости водовмещающих пород может определять резкие увеличения
глубин п р о я в л е н и я суточных и годовых к о л е б а н и й т е м п е р а т у р ы
грунтовых вод. Т а к , п о д а н н ы м Н . М . Ф р о л о в а , з а м е т н ы е (около
0,2°С) суточные к о л е б а н и я температуры грунтовых вод в р а й о н е
Алма-Аты отмечались на глубине 37,5 м; менее в ы р а ж е н н ы е (0,1 —
0,07°С) годовые к о л е б а н и я температуры п о д з е м н ы х вод — на глу­
бинах до 1200 м ( К р ы м ) .
Таким образом, гидродинамический режим грунтовых вод (виды
и в е л и ч и н ы п и т а н и я , их р а с п р е д е л е н и е во в р е м е н и и т.д.) о п р е ­
д е л я ю т о с о б е н н о с т и ф о р м и р о в а н и я геотермического р е ж и м а и в
з н а ч и т е л ь н о й мере ф о р м и р о в а н и е х и м и ч е с к о г о состава грунтовых
вод и их г и д р о г е о х и м и ч е с к и й р е ж и м (см. н и ж е ) .
http://geoschool.web.ru
Глава 7. Г р у н т о в ы е воды и воды з о н ы а э р а ц и и
177
7.2.3. Формирование химического состава
Ф о р м и р о в а н и е х и м и ч е с к о г о состава грунтовых вод в о б щ е м
случае может б ы т ь с в я з а н о с п р о я в л е н и е м всех п р о ц е с с о в , р а с ­
с м о т р е н н ы х в ы ш е (см. гл. 4). О д н а к о в качестве о с н о в н ы х п р о ­
цессов по степени их в л и я н и я на ф о р м и р о в а н и е х и м и ч е с к о г о с о ­
става и м и н е р а л и з а ц и и грунтовых вод д о л ж н ы р а с с м а т р и в а т ь с я
п р о ц е с с ы : выщелачивания
г о р н ы х п о р о д ; концентрирования
при
разгрузке г р у н т о в ы х вод и с п а р е н и е м ; смешения с в о д а м и более
глубоких в о д о н о с н ы х горизонтов (на участках их восходящей р а з ­
грузки); антропогенного воздействия на грунтовые воды.
Выщелачивание
пород зоны а э р а ц и и и в о д о в м е щ а ю щ и х пород
грунтового горизонта в естественных условиях является о с н о в н ы м
процессом поступления м и н е р а л ь н ы х веществ в грунтовые воды.
С о с т а в п о с т у п а ю щ и х веществ и их к о н ц е н т р а ц и я о п р е д е л я ю т с я
м и н е р а л о г о - г е о х и м и ч е с к и м к о м п л е к с о м горных пород. В услови­
ях зон у м е р е н н о г о и и з б ы т о ч н о г о у в л а ж н е н и я г о р н ы е п о р о д ы
верхней части г е о л о г и ч е с к о г о разреза (зона а э р а ц и и , грунтовый
в о д о н о с н ы й горизонт) находятся на так н а з ы в а е м о й к а р б о н а т н о й
стадии в ы щ е л а ч и в а н и я , п о с к о л ь к у более р а с т в о р и м ы е с о е д и н е ­
ния (хлориды и сульфаты) в условиях и н т е н с и в н о г о водообмена
уже в ы н е с е н ы из верхней з о н ы . В этом случае в результате п р о ­
цесса в ы щ е л а ч и в а н и я ф о р м и р у ю т с я , как правило, грунтовые
воды Н С О , — C a ( M g ) состава с м и н е р а л и з а ц и е й менее 1,0 г/л. О д ­
нако в пределах т е р р и т о р и й , где в верхней части разреза ш и р о к о
р а с п р о с т р а н е н ы гипсы и з а г и п с о в а н н ы е породы ( П р и у р а л ь е , с е ­
верная часть М о с к о в с к о й с и н е к л и з ы и д р . ) , н е п о с р е д с т в е н н о в
процессе в ы щ е л а ч и в а н и я ф о р м и р у ю т с я грунтовые воды S 0 — С а
состава с м и н е р а л и з а ц и е й д о 2,0—2,5 г/л и более. На т е р р и т о р и я х
с а р и д н ы м к л и м а т о м при малых (до 10—15 м м / г о д и менее) вели­
чинах и н ф и л ь т р а ц и о н н о - к о н д е н с а ц и о н н о г о питания и значи­
тельных (до 30—50 м и более) м о щ н о с т я х з о н ы а э р а ц и и в ней в
т е ч е н и е д л и т е л ь н о г о в р е м е н и могут с о х р а н я т ь с я л е г к о р а с т в о р и ­
мые с о е д и н е н и я ( п о г р е б е н н ы е з а с о л е н н ы е п о ч в ы , м о р с к и е о т л о ­
ж е н и я и д р . ) . В этом случае в результате в ы щ е л а ч и в а н и я в о з м о ж ­
но ф о р м и р о в а н и е " п е с т р ы х " п о с о с т а в у ( S 0 , C I — S 0 и д р . )
грунтовых вод с м и н е р а л и з а ц и е й д о 3,0—5,0 г/л и более.
4
4
4
В о т л о ж е н и я х в е р х н е ч е т в е р т и ч н ы х и с о в р е м е н н ы х террас с о ­
л е н ы х озер ( П р и к а с п и й , юг З а п а д н о й С и б и р и и др.) при н а л и ч и и
в них прослоев солей, засоленных суглинков и почв непосредст­
венно в результате в ы щ е л а ч и в а н и я в о з м о ж н о ф о р м и р о в а н и е грун­
товых вод C I — N a состава с м и н е р а л и з а ц и е й д о 50 г/л и более.
http://geoschool.web.ru
Часть II. Ф о р м и р о в а н и е р а з л и ч н ы х т и п о в п о д з е м н ы х вод
178
Процесс испарения (разгрузка путем и с п а р е н и я , см. в ы ш е ) о к а ­
зывает о п р е д е л я ю щ е е в л и я н и е на ф о р м и р о в а н и е состава грунто­
вых вод в пределах а р и д н ы х и с е м и а р и д н ы х т е р р и т о р и й на участ­
ках с неглубоким (до 3—5 м) залеганием уровня. В этих условиях
к а п и л л я р н а я кайма достигает поверхности з е м л и , что определяет
в о з м о ж н о с т ь и н т е н с и в н о г о и с п а р е н и я грунтовых вод и н а к о п л е ­
н и я солей в п о ч в е н н о м слое и на поверхности земли ( ф о р м и р о ­
вание солончаков и солонцов). В последующем при выпадении
а т м о с ф е р н ы х о с а д к о в или п о с т у п л е н и и в т а к и е п о н и ж е н и я вод
склонового стока происходит растворение более легкорастворимых
с о е д и н е н и й (хлориды, сульфаты) и " в т о р и ч н о е " п о с т у п л е н и е их в
грунтовый горизонт с инфильтрующимися водами. Проявление
этого " м е х а н и з м а " в т е ч е н и е д л и т е л ь н о г о в р е м е н и (чередование в
зависимости от сезонов года периодов разгрузки испарением и пе­
риодов и н ф и л ь т р а ц и о н н о г о п и т а н и я ) приводит к ф о р м и р о в а н и ю
под такими понижениями минерализованных вод и рассолов преиму­
щ е с т в е н н о CI и S 0 — C I состава. Это я в л е н и е о б ы ч н о р а с с м а т р и ­
вается как процесс к о н т и н е н т а л ь н о г о з а с о л е н и я грунтовых вод.
4
Процессы смешения с более глубокими м и н е р а л и з о в а н н ы м и в о ­
д а м и о п р е д е л я ю т и з м е н е н и е состава грунтовых вод на участках
и н т е н с и в н о й глубинной разгрузки (долины крупных рек, п р и м о р ­
ские низменности, внутриконтинентальные впадины). В зави­
симости от расходов р а з г р у ж а ю щ и х с я глубоких вод и их состава
и з м е н е н и я м и н е р а л и з а ц и и и состава грунтовых вод могут б ы т ь
р а з л и ч н ы м и . Н а и б о л е е и н т е н с и в н ы е п р о я в л е н и я этого ф а к т о р а
характерны для участков, где на о т н о с и т е л ь н о н е б о л ь ш и х глуби­
нах залегают соли или з а с о л е н н ы е г о р н ы е п о р о д ы ( С о л и к а м с к а я
впадина, А н г а р о - Л е н с к и й регион и др.). В этом случае в с о в р е м е н ­
ных и верхнечетвертичных а л л ю в и а л ь н ы х о т л о ж е н и я х на отдель­
ных участках ф о р м и р у ю т с я " к у п о л а " в ы с о к о м и н е р а л и з о в а н н ы х
вод и рассолов хлоридного состава (долины рек Кама, Л е н а и др.).
В л и я н и е а н т р о п о г е н н о г о ф а к т о р а на ф о р м и р о в а н и е х и м и ч е ­
ского состава грунтовых вод наиболее заметно проявляется на тер­
риториях городских а г л о м е р а ц и й , п р о м ы ш л е н н ы х п р е д п р и я т и й и
р а й о н о в и н т е н с и в н о й сельскохозяйственной деятельности. В этом
случае и з м е н е н и я х и м и ч е с к о г о состава грунтовых вод могут б ы т ь
с в я з а н ы , с о д н о й с т о р о н ы , с резко п о в ы ш е н н ы м и (в с р а в н е н и и с
естественным фоном) концентрациями обычных компонентов
( С Г , S O ' , N O ~ , N O j и др.), с другой — с н а л и ч и е м к о м п о н е н т о в ,
не характерных для грунтовых вод р а й о н а в естественных условиях
(тяжелые металлы, о р г а н и ч е с к и е с о е д и н е н и я , я д о х и м и к а т ы и др.,
см. гл. 16).
Гидрогеохимический режим грунтовых вод тесно связан с гидро­
д и н а м и ч е с к и м р е ж и м о м и определяется главным образом и з м е н е 2
http://geoschool.web.ru
Глава 7. Г р у н т о в ы е воды и воды з о н ы а э р а ц и и
179
нием (во в р е м е н и ) с о о т н о ш е н и я п р и х о д н ы х и расходных статей
баланса грунтового в о д о н о с н о г о горизонта (см. у р а в н е н и е 7.2).
В периоды ф о р м и р о в а н и я интенсивного атмосферного питания
и соответственно подъема уровня грунтовых вод за счет поступле­
н и я менее м и н е р а л и з о в а н н ы х вод ( м и н е р а л и з а ц и я а т м о с ф е р н ы х
о с а д к о в о б ы ч н о не п р е в ы ш а е т 20—30 м г / л ) п р о и с х о д и т о т н о с и ­
тельное у м е н ь ш е н и е м и н е р а л и з а ц и и ф у н т о в ы х вод, о с о б е н н о за­
м е т н о п р о я в л я ю щ е е с я в верхней части в о д о н о с н о г о г о р и з о н т а .
На участках с п р и р е ч н ы м видом р е ж и м а у м е н ь ш е н и е м и н е р а л и ­
зации в периоды и н т е н с и в н о г о п и т а н и я с в я з а н ы с ф и л ь т р а ц и е й в
грунтовый водоносный горизонт менее м и н е р а л и з о в а н н ы х поверх­
ностных вод.
В п е р и о д ы отсутствия п и т а н и я грунтовых вод и сработки их
запасов в результате разгрузки ( с н и ж е н и е уровня) происходит от­
н о с и т е л ь н о е у в е л и ч е н и е м и н е р а л и з а ц и и грунтовых вод, которое
может б ы т ь с в я з а н о с п р о ц е с с о м в ы щ е л а ч и в а н и я в о д о в м е щ а ю ­
щих пород, п е р е р а с п р е д е л е н и е м ( в ы р а в н и в а н и е м к о н ц е н т р а ц и и )
р а с т в о р е н н ы х веществ в разрезе в о д о н о с н о г о горизонта, о т н о с и ­
т е л ь н ы м у в е л и ч е н и е м в п е р и о д ы с н и з к и м п о л о ж е н и е м уровня
грунтовых вод притока из н и ж е л е ж а щ и х в о д о н о с н ы х горизонтов,
процессами криогенного концентрирования при промерзании
грунтовых вод и др.
Величина и з м е н е н и я о б щ е й м и н е р а л и з а ц и и грунтовых вод в
годовом периоде (амплитуда) в з а в и с и м о с т и от глубины залега­
ния их у р о в н я , к л и м а т и ч е с к и х условий местности, состава водо­
в м е щ а ю щ и х пород и других ф а к т о р о в и з м е н я е т с я от н е с к о л ь к и х
м и л л и г р а м м о в д о 30—40 г/л и более. В о б щ е м случае амплитуда
и з м е н е н и я м и н е р а л и з а ц и и грунтовых вод ( а б с о л ю т н ы е з н а ч е н и я )
возрастает с увеличением их общей м и н е р а л и з а ц и и (Ковалевский,
1983). И з м е н е н и я общей минерализации грунтовых вод происходят
за счет с о д е р ж а н и я о с н о в н ы х к о м п о н е н т о в х и м и ч е с к о г о состава
подземных вод ( H C O С Г , S O ~ , N a , С а \ M g ) , о д н а к о в з а в и ­
симости от м и н е р а л о г о - г е о х и м и ч е с к о г о состава пород з о н ы аэра­
ц и и , к л и м а т и ч е с к и х условий местности и ряда других ф а к т о р о в
режим и з м е н е н и я к о н ц е н т р а ц и и этих к о м п о н е н т о в может б ы т ь
различным.
В пределах к о н к р е т н ы х участков т е р р и т о р и и в з а в и с и м о с т и от
глубины залегания, к л и м а т и ч е с к и х условий, параметров в о д о в м е ­
щ а ю щ и х пород и других ф а к т о р о в з а к о н о м е р н о с т и гидрогеохи­
м и ч е с к о г о р е ж и м а грунтовых вод могут с у щ е с т в е н н о и з м е н я т ь с я .
Так, при значительных (более Ю м) глубинах залегания грунто­
вых вод и отсутствии близко р а с п о л о ж е н н ы х участков сосредото­
ченного и н т е н с и в н о г о питания и з м е н е н и я о б щ е й м и н е р а л и з а ц и и
2
+
2
v
http://geoschool.web.ru
2 +
Часть II. Ф о р м и р о в а н и е р а з л и ч н ы х т и п о в п о д з е м н ы х вод
180
и х и м и ч е с к о г о состава грунтовых вод во времени могут п р а к т и ­
чески отсутствовать.
При значительном загрязнении поверхности земли в период
формирования интенсивного инфильтрационного питания (осо­
б е н н о в начале периода) в о з м о ж н о возрастание о б ш е й м и н е р а л и ­
зации грунтовых вод за счет увеличения к о н ц е н т р а ц и и N O ~ , N 0 ,
С Г , S 0 , у в е л и ч е н и е с о д е р ж а н и я о р г а н и ч е с к и х веществ и ряда
других х и м и ч е с к и х к о м п о н е н т о в .
На участках с п р и б р е ж н ы м видом р е ж и м а ф и л ь т р а ц и я в берега
с и л ь н о з а г р я з н е н н ы х или м и н е р а л и з о в а н н ы х поверхностных вод
т а к ж е п р и в о д и т к з а м е т н о м у и з м е н е н и ю состава грунтовых вод.
О с о б е н н о р е з к о это проявляется в к о т л о в и н а х с о л е н ы х озер при
с е з о н н ы х подъемах у р о в н я воды и на м о р с к и х п о б е р е ж ь я х , где
особенности формирования гидрогеохимического режима связа­
ны с ф и л ь т р а ц и е й м о р с к и х вод ( м о р с к и е п р и л и в ы и о т л и в ы ) .
На территориях с неглубоким залеганием уровня грунтовых вод
и з м е н е н и е с о о т н о ш е н и я величин их разгрузки за счет с о б с т в е н н о
испарения и т р а н с п и р а ц и и растительностью ( и з м е н е н и я этих с о ­
о т н о ш е н и й в плане от участка к участку, по сезонам года или в
многолетнем периоде и т.д.) приводит к заметным различиям гидро­
геохимического режима грунтовых вод на смежных участках и др.
3
2 +
7.2.4. Зональность грунтовых вод
Учение о зональности грунтовых вод разработано р о с с и й с к и м и
гидрогеологами И.В. Гармоновым, И.К. З а й ц е в ы м , B . C . И л ь и н ы м ,
Г.Н. К а м е н с к и м , O . K . Л а н г е и д р у г и м и . С о г л а с н о этому у ч е н и ю ,
под зональностью п о н и м а ю т с я закономерности пространственного
(площадного) и з м е н е н и я условий ф о р м и р о в а н и я и типа ф у н т о в ы х
вод, о п р е д е л я е м ы е воздействием п р и р о д н ы х ф а к т о р о в , с в я з а н н ы х
с п р о я в л е н и е м ш и р о т н о й к л и м а т и ч е с к о й з о н а л ь н о с т и . Впервые
представления о такой зональности были высказаны В.В. Д о к у ч а е ­
вым, к о т о р ы й считал, что грунтовые воды, я в л я ю щ и е с я э л е м е н ­
том л а н д ш а ф т а , н е и з б е ж н о д о л ж н ы быть о п р е д е л е н н ы м образом
с в я з а н ы с ш и р о т н о й к л и м а т и ч е с к о й з о н а л ь н о с т ь ю , а также с з о ­
нальностью рельефа, п о ч в е н н о г о покрова, растительности и т.д.
В 1922 г. B . C . И л ь и н ы м была составлена первая карта-схема з о ­
нальности грунтовых вод е в р о п е й с к о й части Р о с с и и , Белоруссии
и У к р а и н ы , на которой в н а п р а в л е н и и с севера на юг этой т е р р и ­
т о р и и выделены с у б ш и р о т н ы е з о н ы : I) ф у н т о в ы х вод т и п а тунд­
ровых; 2) " в ы с о к и х " грунтовых вод севера; 3) грунтовых вод н е ­
глубоких оврагов; 4) глубоких оврагов; 5) о в р а ж н о - б а л о ч н о й сети;
6) балок п р и ч е р н о м о р с к о г о типа; 7) балок п р и к а с п и й с к о г о типа;
8) а з о н а л ь н ы е т и п ы грунтовых вод (рис. 7.8).
http://geoschool.web.ru
Глава 7. Г р у н т о в ы е воды и воды з о н ы а э р а ц и и
181
Рис. 7.S. Схема зональности грунтовых вод территории европейской части России
(по B.C. Ильину). Зоны: / — тундровых вод, 2 — высоких вод Севера, 3 — неглу­
боких оврагов, 4 — глубоких оврагов, 5 — овражно-балочная, 6 — причерномор­
ских балок, 7 — прикаспийских балок; области распространения азональных вод:
<¥ — конечных морен. 9 — массивных пород, 10 — карста, / / -- болот, 12 — ал­
лювиальных вод, 13 — солончаков
http://geoschool.web.ru
182
Часть II. Ф о р м и р о в а н и е р а з л и ч н ы х т и п о в п о д з е м н ы х вод
При в ы д е л е н и и у к а з а н н ы х зон и а з о н а л ь н ы х т и п о в грунтовых
вод B . C . И л ь и н ы м у ч и т ы в а л а с ь о б ш е п р и р о д н а я ш и р о т н а я з о ­
н а л ь н о с т ь к л и м а т и ч е с к и х условий т е р р и т о р и и , строение рельефа,
геолого-литологические условия верхней части разреза и др. О д н а ­
ко собственно название выделяемых зон и п о л о ж е н и е их г р а н и ц
о п р е д е л я л и с ь на о с н о в е учета
ландшафтно-геоморфологических
условий р а с с м а т р и в а е м о й т е р р и т о р и и . В ы д е л е н н ы е з о н ы в целом
охватывают о б ш и р н ы е т е р р и т о р и и , в пределах которых в о з м о ж ­
ны р а з л и ч и я в г р у н т о в ы х водах. О д н а к о в к а ж д о й з о н е могут
быть выделены о б щ и е ( о б щ е з о н а л ь н ы е ) з а к о н о м е р н о с т и условий
залегания и т и п ы грунтовых вод, характеристика которых приведе­
на в табл. 7.6. Т е м с а м ы м о т н е с е н и е грунтовых вод к о п р е д е л е н ­
ной зоне сразу дает представление об о с н о в н ы х (наиболее о б щ и х )
з а к о н о м е р н о с т я х их ф о р м и р о в а н и я , что о п р е д е л я е т безусловное
научное и п р а к т и ч е с к о е з н а ч е н и е у ч е н и я об их з о н а л ь н о с т и , в
частности и к а р т ы - с х е м ы B . C . И л ь и н а , со в р е м е н и с о с т а в л е н и я
которой п р о ш л о более полувека.
В соответствии со схемой B . C . Ильина, в пределах европейской
части России с севера на юг (от з о н ы к зоне) происходит п о с т е ­
п е н н о е у в е л и ч е н и е глубины з а л е г а н и я грунтовых вод, у м е н ь ш е ­
ние в соответствии с с о к р а щ е н и е м степени у в л а ж н е н и я (К) сред­
них годовых в е л и ч и н и н ф и л ь т р а ц и о н н о г о п и т а н и я , у в е л и ч е н и е
м и н е р а л и з а ц и и грунтовых вод и с о о т в е т с т в е н н о е и з м е н е н и е их
х и м и ч е с к о г о состава (см. табл. 7.6).
О д н и м из в а ж н е й ш и х з о н а л ь н ы х показателей является глубина
залегания грунтовых вод, определяемая и н т е н с и в н о с т ь ю увлажне­
ния (величины питания грунтовых вод), степенью и глубиной э р о ­
з и о н н о й расчлененности рельефа, а также строением верхней час­
ти гидрогеологического разреза. Ц и ф р ы , п р и в е д е н н ы е в табл. 7.6,
характеризуют средние глубины залегания грунтовых вод в цент­
ральных частях междуречных пространств на определенном удале­
нии от крутых склонов, уступов речных террас, заболоченных п о н и ­
ж е н и й ( ю ж н ы е з о н ы ) , где глубины могут существенно отличаться.
В с в о ю очередь глубина залегания грунтовых вод в центральных
частях междуречных пространств определяет, при прочих равных
условиях, в е л и ч и н ы и н ф и л ь т р а ц и о н н о г о п и т а н и я , р а с с т о я н и е до
о с н о в н ы х д р е н (длину путей ф и л ь т р а ц и и ) , о с о б е н н о с т и р е ж и м а
грунтовых вод и др.
З о н а л ь н ы е и з м е н е н и я м и н е р а л и з а ц и и (и х и м и ч е с к о г о состава)
грунтовых вод также о п р е д е л я ю т с я с т е п е н ь ю у в л а ж н е н и я терри­
т о р и и ( в е л и ч и н ы п и т а н и я ) , г л у б и н о й их з а л е г а н и я и л и т о л о г о - г е о х и м и ч е с к и м к о м п л е к с о м пород з о н ы а э р а ц и и и грунтового
г о р и з о н т а . Как б ы л о с к а з а н о в ы ш е , ф о р м и р о в а н и е в пределах
" ю ж н ы х " зон с у л ь ф а т н ы х и с у л ь ф а т н о - х л о р и д н ы х вод с м и н е р а -
http://geoschool.web.ru
около
1,0
Грунтовых вод
типа тундровых
[
т
т
http://geoschool.web.ru
X
I
ь2о
о;
с
о
о
о
1
1
1
••3-
о
сч
сезонный, практически
постоянный
р.
s
I "
о о"
от 1.0-3.0
до 20-50
л
до 3—5
и о
х и
X
от 2—3
до 20-25
О'
и
X
Зона прикас­
пийских балок
т
до 3,0-5.0
О й
и —
X
о'
и
X
и 1^
о
до 50
и более
и
практически постоянный
со слабовыраженными се­
зонными и многолетними
колебаниями температур
и
Зона причер­
номорских
балок
СП
1,0-3,0
с сезонными колебаниями
температур
^
до 20
и более
О*
до 1.0
с сезонными колебаниями
до частичного промерзания
зимой
геотермический
режим
с выраженными суточными
и сезонными колебаниями
до промерзания зимой
химический
состав
и
Овражнобалочной сети
fN
Глубоких
оврагов
о'
Неглубоких
оврагов
минерали­
зация, г/л
CN
О
60-90
глубина
залега­
ния, м
о
1
"Высоких" вод
Севера
питание,
мм/год
1
Зона
Средние зональные характеристики грунтовых вод
Зональные грунтовые воды территории европейской части
России, Белоруссии и Украины
Характеристики грунто­
вых вод изменяются в
зависимости от глубины
их залегания и состава
пород зоны аэрации
На заболоченных и пере­
увлажненных участках
глубина залегания около
1м
Примечание
Таблица 7.6
Глава 7. Г р у н т о в ы е воды и воды з о н ы а э р а ц и и
-| S3
и
6z
и Z
1
1
и
о 5
Часть II. Ф о р м и р о в а н и е р а з л и ч н ы х т и п о в п о д з е м н ы х вод
184
лизацией д о 3,0—5,0 г/л связано с наличием (сохранением) в п о ­
родах зоны аэрации относительно более растворимых с о е д и н е н и й
( N a C l . C a S 0 и д р . ) , что о б ъ я с н я е т с я з н а ч и т е л ь н о й м о щ н о с т ь ю
зоны аэрации и малыми величинами и н ф и л ь т р а ц и о н н о г о питания.
В пределах зоны прикаспийских балок (частично в зонах овражн о - б а л о ч н о й сети и п р и ч е р н о м о р с к и х балок) резкое у в е л и ч е н и е
м и н е р а л и з а ц и и и п р е и м у щ е с т в е н н о х л о р и д н ы й состав грунтовых
вод характерны для п о н и ж е н н ы х участков рельефа с неглубоким
(до 2—3 м) залеганием их у р о в н я , где о с н о в н ы м видом разгрузки
является и с п а р е н и е .
В северных более увлажненных территориях породы зоны аэра­
ции находятся на к а р б о н а т н о й стадии в ы щ е л а ч и в а н и я , так к а к в
связи с и н т е н с и в н ы м в о д о о б м е н о м ( б о л ь ш и е в е л и ч и н ы п и т а н и я )
здесь отсутствуют условия для с о х р а н е н и я л е г к о р а с т в о р и м ы х с о ­
е д и н е н и й в верхней части гидрогеологического разреза.
В схеме з о н а л ь н о с т и , п р е д л о ж е н н о й B . C . И л ь и н ы м , о д н о в р е ­
м е н н о с з о н а л ь н ы м и выделены е щ е шесть т и п о в (областей) а з о ­
нальных грунтовых вод, условия ф о р м и р о в а н и я которых наряду с
зональными факторами (климат, рельеф) в решающей степени
о п р е д е л я ю т с я о с о б е н н о с т я м и геологического с т р о е н и я , гидрогра­
ф и е й и д р . К а з о н а л ь н ы м т и п а м грунтовых вод B . C . И л ь и н ы м
о т н е с е н ы : т р е щ и н н ы е воды к р и с т а л л и ч е с к и х м а с с и в о в и г о р н о складчатых о б л а с т е й , т р е щ и н н о - к а р с т о в ы е воды, воды а л л ю в и ­
альных о т л о ж е н и й , к о н е ч н о - м о р е н н ы х о б р а з о в а н и й , воды болот
и с о л о н ч а к о в . Д л я каждого из этих т и п о в в связи с п р о я в л е н и е м
р а з л и ч н ы х п р и р о д н ы х ф а к т о р о в (состав п о р о д и с т р о е н и е з о н ы
а э р а ц и и , глубина залегания грунтовых вод, связь с п о в е р х н о с т н ы ­
ми водами и др.) характерны р а з л и ч н ы е условия залегания, ф о р ­
мирования гидродинамического режима, минерализации и хими­
ческого состава грунтовых вод.
4
Схема з о н а л ь н о с т и B . C . И л ь и н а (1922) на уровне с о в р е м е н н ы х
т р е б о в а н и й г и д р о г е о л о г и ч е с к о й науки и с о с т о я н и я и з у ч е н н о с т и
грунтовых вод имеет ряд серьезных недостатков. В н а з в а н и и в ы ­
д е л е н н ы х зон не о т р а ж е н ы о с о б е н н о с т и геолого-гидрогеологиче­
ских условий территории, хотя о н и в некоторой мерс учитываются
при о п р е д е л е н и и п о л о ж е н и я з о н а л ь н ы х г р а н и ц ; на т е р р и т о р и и
ряда зон могут быть выделены з н а ч и т е л ь н ы е по п л о щ а д и участки
с о с о б ы м и у с л о в и я м и ф о р м и р о в а н и я и т и п а м и г р у н т о в ы х вод,
которые не о т р а ж е н ы в п р и н я т о м масштабе схемы или вообще не
учитываются ( н а п р и м е р , при в ы д е л е н и и а з о н а л ь н ы х т и п о в грун­
товых вод).
Дальнейшее развитие представлений B . C . Ильина о зональ­
ности грунтовых вод в ы п о л н е н о O . K . Л а н г е , с о с т а в и в ш и м первую
схему з о н а л ь н о с т и г р у н т о в ы х вод т е р р и т о р и и Р о с с и и и с о п р е -
http://geoschool.web.ru
Глава 7. Г р у н т о в ы е воды и воды з о н ы а э р а ц и и
185
дельных государств в 1947 г. (рис. 7.9). На о с н о в а н и и о с о б е н н о с ­
тей к л и м а т и ч е с к и х условий т е р р и т о р и и O . K . Ланге выделены три
провинции з о н а л ь н ы х грунтовых вод: п р о в и н ц и я вечной мерзлоты
с отрицательными среднегодовыми температурами; провинция с
в ы с о к о й в л а ж н о с т ь ю воздуха, п о л о ж и т е л ь н ы м и с р е д н е г о д о в ы м и
температурами и небольшой амплитудой суточных, сезонных и
годовых к о л е б а н и й температуры; п р о в и н ц и я с в ы с о к о й сухостью
воздуха и б о л ь ш и м и амплитудами колебаний температуры. В пре­
делах каждой п р о в и н ц и и выделение зон (полос — по O . K . Ланге)
осуществляется по р а з л и ч н ы м п р и н ц и п а м ; т и п ы азональных грун­
товых вод в целом соответствуют схеме B . C . И л ь и н а .
1
•4
2
3
4
||
5
6
7
Г
А
Рис. 7.9. Схема зональности грунтовых вол территории бывшего СССР {по O.K. Цин­
ге): -зоны распространения: / — сплошной вечной мерзлоты; 2 — таликовой (Па)
и островной (Пб) мерзлоты; 3 — тундровых вод (III). высоких вод севера (IV);
4 — неглубоких оврагов (V), глубоких оврагов (VI) и овражно-балочная (VII);
5 — неглубоких балок Прикаспия (VIII); 6 — равновесия подземного стока и ис­
парения (IX): 7— полоса (зона) подгорных шлейфов и предгорных равнин (X);
<V — области азональных грунтовых вод
На основе других п р и н ц и п о в разработаны схемы з о н а л ь н о с т и
грунтовых вод И . В . Г а р м о н о в а (1948) и Г . Н . К а м е н с к о г о (1949),
которые учитывали главным образом р а с п р о с т р а н е н и е грунтовых
вод о п р е д е л е н н о г о х и м и ч е с к о г о состава и представление о гене­
т и ч е с к и х типах грунтовых вод ( о с н о в н ы х процессах ф о р м и р о в а ­
ния х и м и ч е с к о г о состава грунтовых вод). Т а к , И . В . Г а р м о н о в ы м
на т е р р и т о р и и е в р о п е й с к о й части России б ы л о в ы д е л е н о четыре
зоны грунтовых вод с севера на юг: I) г и д р о к а р б о н а т н о - к р е м н е -
http://geoschool.web.ru
186
Часть II. Ф о р м и р о в а н и е р а з л и ч н ы х т и п о в п о д з е м н ы х вод
земистых вод; 2) г и д р о к а р б о н а т н о - к а л ь ц и е в ы х вод; 3) г и д р о к а р б о н а т н о - к а л ы д и е в ы х , с у л ь ф а т н ы х и х л о р и д н ы х вод с п о д з о н о й
к о н т и н е н т а л ь н о г о з а с о л е н и я ; 4) г и д р о к а р б о н а т н о - к а л ь ц и е в ы х вод
горных областей К р ы м а и Кавказа. Г.Н. К а м е н с к и м на территории
России выделены также четыре зоны: I) ф у н т о в ы е воды зоны в ы ­
щ е л а ч и в а н и я ; 2) зоны в ы щ е л а ч и в а н и я с участками вод к о н т и н е н ­
т а л ь н о г о з а с о л е н и я ; 3) г р у н т о в ы е воды з о н ы к о н т и н е н т а л ь н о г о
з а с о л е н и я ; 4) зона в ы щ е л а ч и в а н и я горных р а й о н о в .
На основе определенного сочетания п р и н ц и п о в , предложенных
O . K . Ланге, И.В. Гармоновым и Г.Н. К а м е н с к и м , составлена схема
зональности грунтовых вод И . К . З а й ц е в а и М . П . Распопова (1958),
на которой выделены две п р о в и н ц и и грунтовых вод: устойчивой
многолетней мерзлоты и отсутствия многолетней мерзлоты. В пре­
делах первой провинции зоны (пояса — по И.К. Зайцеву и М.П. Распопову) в ы д е л е н ы на о с н о в е типа р а с п р о с т р а н е н и я м н о г о л е т н е мерзлых пород и их м о щ н о с т и , в пределах второй — на основе
типа п р о ц е с с о в ф о р м и р о в а н и я х и м и ч е с к о г о состава ( в ы щ е л а ч и ­
вание, в ы н о с солей и с о л е н а к о п л е н и е ) с д а л ь н е й ш и м подразделе­
н и е м по т и п у х и м и ч е с к о г о состава и в е л и ч и н е м и н е р а л и з а ц и и
грунтовых вод.
На о с н о в е и с п о л ь з о в а н и я с о б с т в е н н о г е о л о г о - г и д р о г е о л о г и ­
ческих п р и н ц и п о в р а й о н и р о в а н и я составлена схема з о н а л ь н о с т и
грунтовых вод А . Н . Семихатова и В.И. Д у х а н и н о й (1958), на к о ­
торой п о л о ж е н и е г р а н и ц в ы д е л е н н ы х з о н определяется главным
образом распространением основных литогенетических типов
четвертичных о т л о ж е н и й . Т и п , возраст и м о щ н о с т ь четвертичных
о т л о ж е н и й о б у с л о в л и в а ю т с т р о е н и е верхней части гидрогеологи­
ческого разреза, т и п пород, с к о т о р ы м и с в я з а н ы грунтовые воды,
рельеф т е р р и т о р и и , т.е. ф а к т о р ы , р е ш а ю щ и м образом в л и я ю щ и е
на условия залегания и ф о р м и р о в а н и я грунтовых вод.
На т е р р и т о р и и е в р о п е й с к о й части Р о с с и и э т и м и авторами в ы ­
д е л е н о восемь зон грунтовых вод (рис. 7.Ю). Каждая з о н а харак­
теризуется о п р е д е л е н н ы м и глубинами з а л е г а н и я , м и н е р а л и з а ц и е й
и х и м и ч е с к и м составом грунтовых вод.
А н а л и з существующих схем зональности грунтовых вод п о к а з ы ­
вает, что п р и н ц и п ы составления этих схем д о настоящего времени
р а з р а б о т а н ы е щ е н е д о с т а т о ч н о , и с х е м ы з о н а л ь н о с т и не д а ю т
п о л н о г о представления об о с о б е н н о с т я х условий з а л е г а н и я , ф о р ­
м и р о в а н и я и типах грунтовых вод. Э т о определяет необходимость
д а л ь н е й ш е й разработки п р о б л е м ы ф о р м и р о в а н и я п р и р о д н о й з о ­
н а л ь н о с т и грунтовых вод, о б о с н о в а н и я п р и н ц и п о в с о с т а в л е н и я
схем зональности, зональных характеристик видов и величин пита­
ния и разгрузки грунтовых вод, особенностей их режима и других
http://geoschool.web.ru
Глава 7. Г р у н т о в ы е воды и в о д ы з о н ы а э р а ц и и
187
Рис. 7.10. Схема зональности грунто­
вых вод Русской равнины (по А.Н. Семихатову и В.И. Духаниной):
1 — надмерзлотныс сезонные воды
тундры Кольского полуострова; 2 —
грунтовые воды ледниковой области
со свежим рельефом последнего оле­
денения; 3 — грунтовые воды зандрово-аллювиальных равнин, развитых
вдоль южного края последнего оледе­
нения; 4 — грунтовые воды области
со сглаженным ледниковым рельефом
максимального (днепровского) оледе­
нения: 5 — грунтовые воды лёссовой
области; 6 — грунтовые воды области
с маломощным четвертичным покро­
вом (выходы на поверхность дочетвертичных пород); 7 — грунтовые воды
морских и аллювиально-дельтовых рав­
нин Прикаспия; 8 — грунтовые воды
предгорных наклонных равнин; 9 —
граница максимального оледенения
на Русской равнине
ф а к т о р о в для более детального
изучения у с л о в и й ф о р м и р о в а ­
н и я грунтовых вод и с ц е л ь ю
их х о з я й с т в е н н о г о и с п о л ь з о в а ­
ния и охраны.
Вопросы к главе 7
1. Водный режим зоны аэрации. Типы подземных вод.
2. Грунтовые воды. Определение, условия
залегания.
3. Формирование
питания грунтовых вод. Основные
источники
питания.
4. Схемы и условия формирования разгрузки грунтовых вод.
5. Основные схемы взаимодействия
грунтовых и
поверхностных
вод.
6. Карты гидроизогипс и глубин залегания грунтовых вод.
7. Общий вид уравнения
водного баланса элемента
грунтового
потока.
8. Режим грунтовых вод. Определение, виды режима.
9. Основные процессы формирования
химического
состава
грун­
товых вод.
10. Учение о зональности грунтовых вод. Схема B.C. Ильина.
http://geoschool.web.ru
Часть II. Формирование различных типов подземных вод
188
Глава
8
МЕЖПЛАСТОВЫЕ
ВОДЫ
Мсжпластовыми водоносными горизонтами (межпластовыми
в о д а м и , п р о с т о " п л а с т о в ы м и " в о д а м и , что я в л я е т с я н е в е р н ы м )
называются в о д о н о с н ы е горизонты, залегающие между двумя
с л а б о п р о н и ц а е м ы м и пластами. В о т л и ч и е от грунтового в о д о н о с ­
ного г о р и з о н т а , верхней г р а н и ц е й к о т о р о г о я в л я е т с я с в о б о д н а я
п о в е р х н о с т ь п о д з е м н ы х вод, м е ж п л а с т о в ы е г о р и з о н т ы всегда
и м е ю т о т н о с и т е л ь н о с л а б о п р о н и ц а е м у ю (водоупорную) к р о в л ю и
подошву (рис. 8.1).
Z n - + '
Z(-)
rftTTT
Ч
мпвг
5
Ьтг^Пб
Рис. 8.1. Схема условий залегания межпластового во­
доносною горизонта: / — межпдастовый водоносный
горизонт, 2 — слабопроницаемыс породы кровли и
подошвы. 3 — пьезометрический уровень напорных
межпластовых вод, 4 — направление движения межпластовых вод, 5 — скважина, стрелка — величина
пьезометрического напора, 6 — поверхность земли
В геологических структурах, с л о ж е н н ы х слоистыми о с а д о ч н ы м и
о т л о ж е н и я м и , м е ж п л а с т о в ы е воды р а с п р о с т р а н е н ы на глубинах
п р и м е р н о от 10 м до 7 км и, в е р о я т н о , и на б о л ь ш и х глубинах,
предположительно до 15—20 км в глубоких п л а т ф о р м е н н ы х струк­
турах, с л о ж е н н ы х о с а д о ч н ы м и породами ( П р е д у р а л ь с к и й прогиб.
П р и к а с п и й с к а я в п а д и н а и др.).
В верхней части геологического разреза, в ы ш е уреза поверх­
ностных вод основных дрен территории, п р о н и ц а е м ы й пласт, зале­
г а ю щ и й между двумя " в о д о у п о р а м и " , может б ы т ь н а с ы щ е н водой
http://geoschool.web.ru
Глава 8. М е ж п л а с т о в ы е воды
189
не на всю м о щ н о с т ь . Т а к и е в о д о н о с н ы е г о р и з о н т ы н а з ы в а ю т с я
м е ж п л а с т о в ы м и б е з н а п о р н ы м и (со с в о б о д н о й п о в е р х н о с т ь ю ) .
В б о л ь ш и н с т в е случаев п р о н и ц а е м ы й пласт п о л н о с т ь ю на всю
м о щ н о с т ь з а п о л н е н водой с избыточным пластовым давлением Р
величина которого в о б щ е м случае п р о п о р ц и о н а л ь н а глубине за­
легания в о д о н о с н о г о горизонта.
В верхней части гидрогеологического разреза пластовое давле­
ние п р и м е р н о соответствует высоте столба воды от уровня залега­
ния в о д о н о с н о г о горизонта до поверхности з е м л и , в этом случае
о н о н а з ы в а е т с я нормальным
гидростатическим
давлением
Р .
В глубоких частях разреза, как правило, при относительно надеж­
ной изоляции элемента пластовой системы от поверхности земли
и смежных водоносных горизонтов величина пластового давления
может быть з н а ч и т е л ь н о б о л ь ш е й и достигать з н а ч е н и й геостати­
ческого д а в л е н и я Р , о п р е д е л я е м о г о весом в ы ш е л е ж а щ е й т о л щ и
Р )П р и м е р н ы й характер изменения
горных п о р о д (Р ~2,5
пластовых д а в л е н и й с г л у б и н о й з а л е г а н и я п о к а з а н на р и с . 8.2.
О д н а к о в о б щ е м случае эта з а в и с и м о с т ь может б ы т ь з н а ч и т е л ь н о
более с л о ж н о й (см. гл. 10).
пыр
| е о
ко
11ыр
П р и в с к р ы т и и м е ж п л а с т о в о г о в о д о н о с н о г о горизонта буровой
с к в а ж и н о й ( к о л о д ц е м , ш а х т н ы м стволом) вода под действием и з ­
б ы т о ч н о г о (пластового) д а в л е н и я п о д н и м а е т с я в ы ш е кровли в о ­
д о н о с н о г о горизонта и устанавливается на о п р е д е л е н н о м уровне
(см. рис. 8.1). Р а с с т о я н и е от кровли в о д о н о с н о г о горизонта до ус­
тановившегося уровня воды, являющееся согласно уравнению
(5.6) п ь е з о м е т р и ч е с к о й высотой, называется напором над кровлей
водоносного горизонта.
Расчет п ь е з о м е т р и ч е с к о г о н а п о р а ( м е р ы
э н е р г и и потока) м е ж п л а с т о в ы х вод осуществляется с о г л а с н о ф о р ­
муле (5.7) путем о т н е с е н и я в е л и ч и н н а п о р а над кровлей пласта к
единой плоскости с р а в н е н и я . При использовании в качестве е д и ­
ной плоскости с р а в н е н и я уровня М и р о в о г о океана (Z ) для глубок о з а л е г а ю щ и х м е ж п л а с т о в ы х вод
р
величина п ь е з о м е т р и ч е с к о г о н а п о ­
ра может быть м е н ь ш е , чем н а п о р
над кровлей в о д о н о с н о г о г о р и з о н ­
та (И ) (см. рис. 8.1).
Величина напора над кровлей
водоносного горизонта А равная
()
к
Рис 8.2. Принципиальная схема измене­
ния пластовых давлений с увеличением
глубины залегания
http://geoschool.web.ru
190
Часть II. Ф о р м и р о в а н и е р а з л и ч н ы х т и п о в п о д з е м н ы х вод
высоте столба в о д ы , з а в и с и т не т о л ь к о от п л а с т о в о г о д а в л е н и я
Р , но и от плотности воды р, которая и з м е н я е т с я в з а в и с и м о с т и
от в е л и ч и н ы м и н е р а л и з а ц и и воды, с о д е р ж а н и я газа в с в о б о д н о м
с о с т о я н и и и температуры (P = h p). В связи с этим при с р а в н е ­
нии н а п о р о в п о д з е м н ы х вод с р а з л и ч н о й п л о т н о с т ь ю (различной
м и н е р а л и з а ц и е й ) о с у щ е с т в л я е т с я расчет так н а з ы в а е м ы х п р и в е ­
д е н н ы х н а п о р о в и д а в л е н и й (А.И. С и л и н - Б е к ч у р и н , В.М. Ш е с т а ков и др.).
Л и н и я , с о е д и н я ю щ а я (на разрезе) точки у с т а н о в и в ш е г о с я
уровня н а п о р н ы х м е ж п л а с т о в ы х вод, называется
пьезометрической
кривой, поверхность, д о которой п о д н и м а ю т с я уровни н а п о р н ы х
вод, — пьезометрической
поверхностью.
Каждый межпластовый
в о д о н о с н ы й г о р и з о н т имеет с о б с т в е н н у ю п ь е з о м е т р и ч е с к у ю п о ­
верхность ( п ь е з о м е т р и ч е с к у ю к р и в у ю ) , п о л о ж е н и е которой всегда
в той или иной мере отличается от пьезометрических поверхностей
с м е ж н ы х в о д о н о с н ы х горизонтов.
При расчете пьезометрических н а п о р о в межпластовых вод от­
н о с и т е л ь н о у н и в е р с а л ь н о й п л о с к о с т и с р а в н е н и я (Z ) в е л и ч и н а
н а п о р а (в д а н н о й т о ч к е ) будет с о о т в е т с т в о в а т ь абсолютной
от­
метке у с т а н о в и в ш е г о с я у р о в н я н а п о р н ы х п о д з е м н ы х вод (см.
рис. 8.1). Л и н и и , с о е д и н я ю щ и е точки с о д и н а к о в о й а б с о л ю т н о й
о т м е т к о й у с т а н о в и в ш е г о с я у р о в н я н а п о р н ы х вод, н а з ы в а ю т с я
гидроизопьезами,
которые я в л я ю т с я также линиями равного напора.
А н а л о г и ч н о г и д р о и з о г и п с а м (см. гл. 7) система г и д р о и з о п ь е з
характеризует (в абсолютных отметках) пьезометрическую поверх­
ность д а н н о г о м е ж п л а с т о в о г о в о д о н о с н о г о горизонта. О д н а к о в
о т л и ч и е от р е а л ь н о с у щ е с т в у ю щ е й п о в е р х н о с т и г р у н т о в ы х вод
пьезометрическая поверхность водоносного горизонта является
в о о б р а ж а е м о й п о в е р х н о с т ь ю , д о к о т о р о й будут п о д н и м а т ь с я
у р о в н и н а п о р н ы х вод п р и в с к р ы т и и их г о р н ы м и в ы р а б о т к а м и
( с к в а ж и н а м и и л и к о л о д ц а м и ) . Если п ь е з о м е т р и ч е с к а я п о в е р х ­
ность водоносного горизонта располагается выше поверхности
з е м л и ( н а п о р над к р о в л е й в о д о н о с н о г о г о р и з о н т а б о л ь ш е , чем
глубина его з а л е г а н и я ) , т а к и е н а п о р н ы е воды н а з ы в а ю т с я с а м о и з ­
л и в а ю щ и м и с я ( и з л и в а ю щ и е или ф о н т а н и р у ю щ и е с к в а ж и н ы ) .
С и с т е м а гидроизопьез ( л и н и и равных н а п о р о в ) и л и н и й т о к о в
образует г и д р о д и н а м и ч е с к у ю сетку п о д з е м н ы х вод межпластового
н а п о р н о г о в о д о н о с н о г о горизонта, а н а л о г и ч н о р а с с м о т р е н н о й на
рис. 5.5.
Н а л и ч и е з н а ч и т е л ь н ы х пластовых д а в л е н и й и в о з м о ж н о с т ь их
заметных и з м е н е н и й во времени (в естественных условиях в с в я ­
зи с т е к т о н и ч е с к о й д е я т е л ь н о с т ь ю , э р о з и о н н ы м и п р о ц е с с а м и
и другими п р и ч и н а м и или в условиях т е х н о г е н н о г о воздействия
[п
n:i
Kp
()
http://geoschool.web.ru
Глава 8. М е ж п л а с т о в ы е воды
191
на пласт, п р и в о д я щ е г о к у в е л и ч е н и ю или с н и ж е н и ю пластовых
д а в л е н и й ) о п р е д е л я ю т н е о б х о д и м о с т ь учета п р и и з у ч е н и и м е ж ­
п л а с т о в ы х п о т о к о в у п р у г и х д е ф о р м а ц и й пласта, в о з н и к а ю щ и х
при и з м е н е н и и пластовых д а в л е н и й (так н а з ы в а е м ы й упругий р е ­
жим ф и л ь т р а ц и и ) .
Изменение (уменьшение, увеличение) пластового давления
приводит к и з м е н е н и ю плотности с а м о й воды, а т а к ж е к и з м е н е ­
н и ю давления в м и н е р а л ь н о м скелете пласта, поскольку пластовое
давление частично уравновешивает в н е ш н ю ю нагрузку, действую­
щую на пласт. И з м е н е н и е давления в м и н е р а л ь н о м скелете пласта
приводит к д е ф о р м а ц и и ( у м е н ь ш е н и ю , увеличению) " с в о б о д н о г о "
пространства, что в с в о ю очередь м е н я е т з н а ч е н и е о б ш е й с к в а ж ­
ности и емкости горной п о р о д ы .
К о э ф ф и ц и е н т о б ъ е м н о г о с ж а т и я воды ф ) р а с с ч и т ы в а е т с я из
выражения
р
АР
где АР — и з м е н е н и е пластового д а в л е н и я ; Ар/р — о т н о с и т е л ь н о е
и з м е н е н и е плотности воды.
С о г л а с н о В . М . Ш е с т а к о в у , расчет к о э ф ф и ц и е н т а о б ъ е м н о г о
сжатия воды с м и н е р а л и з а ц и е й М (г/л) может б ы т ь в ы п о л н е н по
выражению
р = 4,75 * Ю
- 5
х
-7,15-1(Г —,
У
2
см /кгс,
(8.2)
где у = pg — масса е д и н и ц ы объема воды.
П р и о т н о с и т е л ь н о н е б о л ь ш и х и з м е н е н и я х пластовых д а в л е н и й
п р и н и м а е т с я , что к о э ф ф и ц и е н т с ж и м а е м о с т и горной породы ф )
определяется из в ы р а ж е н и я , а н а л о г и ч н о г о (8.1).
Т а к н а з ы в а е м ы й к о э ф ф и ц и е н т у п р у г о е м к о с т и п о р о д ы г\, ха­
р а к т е р и з у ю щ и й и з м е н е н и е о б ъ е м а воды в е д и н и ч н о м объеме п о ­
роды при е д и н и ч н о м и з м е н е н и и н а п о р а , может б ы т ь определен
из в ы р а ж е н и я
п
л=
7
х
-(Р„
4
<-)
8 3
;
1+ п
где п — о б ъ е м н о е з н а ч е н и е с к в а ж н о с т и .
Согласно в ы р а ж е н и я м (8.1) и (8.3), при у м е н ь ш е н и и пластового
давления происходит расширение (увеличение объема) воды, запол­
н я ю щ е й свободное п р о с т р а н с т в о в м и н е р а л ь н о м скелете п о р о д ы ,
и о д н о в р е м е н н о у м е н ь ш е н и е суммарного объема пустот (уплотне-
http://geoschool.web.ru
192
Часть II. Ф о р м и р о в а н и е р а з л и ч н ы х т и п о в п о д з е м н ы х вод
ние) минерального скелета, связанное с относительно возрас­
т а ю щ и м давлением на скелет, что определяет величину упругой во­
доотдачи породы. При увеличении пластового давления — умень­
ш е н и е объема воды и у в е л и ч е н и е объема пустот (разуплотнение
при относительном у м е н ь ш е н и и давления на скелет), формируется
как бы д о п о л н и т е л ь н а я е м к о с т ь горной п о р о д ы . В соответствии с
этим к о э ф ф и ц и е н т упругоемкости п рассматривается как параметр,
х а р а к т е р и з у ю щ и й упругую емкость е д и н и ч н о г о объема горной п о ­
роды. Для водоносного пласта в целом в качестве такого параметра
р а с с м а т р и в а е т с я коэффициент
упругой емкости пласта р.*, п р е д ­
с т а в л я ю щ и й собой о т н о ш е н и е и з м е н е н и я объема воды в е д и н и ч ­
ном элементе пласта AV к и з м е н е н и ю напора АН (давления):
{)
Ц
= — f
АН
= /ип,
(8.4)
где т — м о щ н о с т ь пласта.
Условия ф о р м и р о в а н и я , д и н а м и к а и р е ж и м межпластовых вод
о п р е д е л я ю т с я главным образом глубиной залегания в о д о н о с н о г о
горизонта и характером связи со с м е ж н ы м и г и д р о г е о л о г и ч е с к и м и
э л е м е н т а м и разреза.
В н е к о т о р о й степени у с л о в н о могут б ы т ь выделены три о с н о в ­
ные схемы ф о р м и р о в а н и я потока межпластовых п о д з е м н ы х вод:
I) " а р т е з и а н с к а я " , 2) схема с п е р е т е к а н и е м (схема А . Н . М я т и е в а ) ,
3) схема с ф о р м и р о в а н и е м э л и з и о н н о г о р е ж и м а м е ж п л а с т о в ы х
вод (рис. 8.3).
" А р т е з и а н с к а я " схема д в и ж е н и я м е ж п л а с т о в ы х вод ф о р м и р у ­
ется на участках с н а к л о н н ы м залеганием слоев главным образом
в верхней части геологического разреза.
Выходы в о д о н о с н ы х пластов на поверхность на в о з в ы ш е н н ы х
участках территории (центральные части междуречных прост­
ранств, предгорные в о з в ы ш е н н о с т и и др.) я в л я ю т с я в этом случае
гидравлически
открытыми областями питания м е ж п л а с т о в ы х вод.
П и т а н и е ф о р м и р у е т с я н е п о с р е д с т в е н н о за счет и н ф и л ь т р а ц и и ат­
м о с ф е р н ы х о с а д к о в и п о г л о щ е н и я п о в е р х н о с т н ы х вод или за счет
н и с х о д я щ е й ф и л ь т р а ц и и из г р у н т о в о г о в о д о н о с н о г о г о р и з о н т а
(рис. 8.3, а).
Разгрузка м е ж п л а с т о в ы х вод (области разгрузки) п р о и с х о д и т в
п о н и ж е н и я х рельефа ( к р у п н ы е р е ч н ы е д о л и н ы , п р и м о р с к и е н и з ­
м е н н о с т и , о з е р н ы е к о т л о в и н ы и др.) или в виде " о т к р ы т о й " раз­
грузки при н е п о с р е д с т в е н н о м в с к р ы т и и межпластового горизонта
э р о з и о н н ы м и врезами (рис. 8.3, а) или п е р е т е к а н и е м через пере­
к р ы в а ю щ и е с л а б о п р о н и ц а е м ы е породы и по "гидрогеологическим
о к н а м " (см. гл. 7).
http://geoschool.web.ru
Глава 8. М е ж п л а с т о в ы е воды
193
Обл.
питания
Область разгрузки Область питания Область разгрузки
2
Рис. 8.3. Схемы формирова­
ния потоков межпластовых
подземных вод: а — " а р ­
т е з и а н с к а я " , б — схема
А.Н. Мятиева, в — схема
"элизионно! о" потока: / —
водоносные (проницаемые
породы, 2 — породы сла­
бопроницаемые, 3 — уро­
вень грунтовых вод, 4 —
пьезометрический уровень
межпластовых вод, 5 — ис­
точники. 6 — направление
движения межпластовых вод,
7 — направление межплас­
товых потоков подземных
вод (перетекание), 8 — сква­
жина, стрелка — величина
пьезометрического напора
межпластовых подземных
вод, 9 — направление дви­
жения элизионных вод. от­
жимающихся из слабопро­
ницаемых пород
http://geoschool.web.ru
194
Часть II. Ф о р м и р о в а н и е р а з л и ч н ы х т и п о в п о д з е м н ы х вод
Между о б л а с т я м и п и т а н и я и разгрузки в этом случае выделя­
ется так н а з ы в а е м а я " з о н а т р а н з и т а " ( т р а н з и т н о г о п о т о к а ) , в п р е ­
делах к о т о р о й п о т о к м е ж п л а с т о в ы х вод п р е д п о л о ж и т е л ь н о не
взаимодействует с в ы ш е л е ж а щ и м г о р и з о н т о м .
Схема ф о р м и р о в а н и я п о т о к о в м е ж п л а с т о в ы х вод с перетека­
нием (межпластовым взаимодействием) впервые рассмотрена
А . Н . М я т и е в ы м (1947), к о т о р ы й показал, что для с л о и с т ы х т о л щ ,
представленных чередованием водоносных и слабопроницаемых
пород (пластовые с и с т е м ы ) , в верхней части гидрогеологического
разреза характерны с л е д у ю щ и е о б щ и е з а к о н о м е р н о с т и р а с п р е д е ­
л е н и я н а п о р о в п о д з е м н ы х вод:
1) в пределах в о з в ы ш е н н ы х у ч а с т к о в т е р р и т о р и и с в ы с о к и м
положением уровня ф у н т о в ы х вод (центральные части междуреч­
ных пространств и др.) величины н а п о р о в подземных вод уменьша­
ются с у в е л и ч е н и е м глубины залегания в о д о н о с н о г о горизонта;
2) на п о н и ж е н н ы х участках т е р р и т о р и и , где уровень грунтовых
вод з а н и м а е т о т н о с и т е л ь н о н и з к о е п о л о ж е н и е в связи с н а л и ч и е м
близко расположенных участков разгрузки, величины напоров
увеличиваются с у в е л и ч е н и е м глубины залегания в о д о н о с н ы х го­
ризонтов;
3) в пределах каждого водоносного горизонта (грунтовые воды,
I и II межпластовые горизонты и глубже) величина напора умень­
шается в н а п р а в л е н и и от ц е н т р а л ь н о й части междуречных прост­
ранств к д р е н а м (рис. 8.3, б).
У к а з а н н о е р а с п р е д е л е н и е н а п о р о в определяет ф о р м и р о в а н и е в
ц е н т р а л ь н о й части междуречного пространства области с н а л и ч и ­
ем разности н а п о р о в (AHl), о б у с л о в л и в а ю щ е й в о з м о ж н о с т ь нис­
ходящей м е ж п л а с т о в о й ф и л ь т р а ц и и ( п е р е т е к а н и я ) , которая может
рассматриваться в качестве области питания системы межпластовых
в о д о н о с н ы х горизонтов. В пределах п о н и ж е н и й рельефа соответ­
ствующая разность напоров ( А # Т ) определяет формирование
межпластовой восходящей ф и л ь т р а ц и и , что обусловливает разгруз­
ку из н и ж е л е ж а щ и х м е ж п л а с т о в ы х в о д о н о с н ы х горизонтов в в ы ­
ш е л е ж а щ и е и далее в ф у н т о в ы е и п о в е р х н о с т н ы е воды.
Расходы межпластовой (восходящая и нисходящая) фильтрации
на е д и н и ц у п л о щ а д и ( м , к м ) о п р е д е л я ю т с я з н а ч е н и е м разности
н а п о р о в с м е ж н ы х г о р и з о н т о в р а з р е з а (АН),
коэффициентом
ф и л ь т р а ц и и р а з д е л я ю щ е г о с л а б о п р о н и ц а е м о г о слоя (AQ), а также
его м о щ н о с т ь ю (т ) и в связи с и з м е н е н и е м этих параметров могут
меняться в пределах двух-трех п о р я д к о в и более.
В в о д о н о с н ы х горизонтах (грунтовый в о д о н о с н ы й горизонт и
м е ж п л а с т о в ы е г о р и з о н т ы ) в связи с с у щ е с т в у ю щ и м ( п л а с т о в ы м )
2
2
()
http://geoschool.web.ru
Глава 8. М е ж п л а с т о в ы е воды
195
распределением напоров формируются латеральные (пластовые)
потоки подземных вод, направленные от центральных частей меж­
дуречных пространств к д р е н и р у ю щ и м п о н и ж е н и я м (рис. 8.3, б).
Г р а н и ц а м и этих п о т о к о в я в л я ю т с я водоразделы, в о б щ е м случае
п р и м е р н о с о в п а д а ю щ и е с о р о г р а ф и ч е с к и м водоразделом смежных
речных б а с с е й н о в , и при условии п о л н о г о д р е н и р о в а н и я потока
(см. гл. 7) — д р е н ы , о г р а н и ч и в а ю щ и е междуречное пространство.
Т а к и м о б р а з о м , в пределах той части разреза, где д в и ж е н и е под­
земных вод осуществляется по схеме А . Н . М я т и е в а , ф о р м и р у е т с я
система местных потоков м е ж п л а с т о в ы х вод, структура которых
определяется рельефом территории и распределением напоров
(поверхности) грунтового водоносного горизонта. Д е ф о р м а ц и я
общей схемы м е ж п л а с т о в ы х п о т о к о в (рис. 8.3, б) может б ы т ь с в я ­
зана главным образом с о с о б е н н о с т я м и п р о с т р а н с т в е н н о г о и з м е ­
нения п а р а м е т р о в ( Г , К , т ) в о д о н о с н ы х и с л а б о п р о н и ц а е м ы х
пород: н а л и ч и е " г и д р о г е о л о г и ч е с к и х о к о н " в р а з д е л я ю щ и х сла­
б о п р о н и ц а е м ы х пластах, с о к р а щ е н и е их м о щ н о с т е й , и з м е н е н и я
проницаемости, связанные с зонами тектонических нарушений,
ф а ц и а л ь н ы м з а м е щ е н и е м с л а б о п р о н и ц а е м ы х пород и др.
0
{)
Схема "элизионного" движения межпластовых вод по существую­
щим представлениям (И.Г. Карцев, 1983; и др.) формируется в тех
случаях, когда баланс элемента м е ж п л а с т о в о й с и с т е м ы о п р е д е л я ­
ется главным образом поступлением поровых растворов, о т ж и м а ю ­
щ и х с я из у п л о т н я ю щ и х с я о с а д о ч н ы х г о р н ы х п о р о д или в о д ы ,
ф о р м и р у ю щ е й с я при дегидратации породообразующих м и н е р а л о в
(рис. 8.3, в).
Поскольку интенсивность процессов уплотнения и отжатия
поровых вод и д е г и д р а т а ц и и м и н е р а л о в в о б щ е м случае о п р е д е ­
ляется р о с т о м г е о с т а т и ч е с к о г о д а в л е н и я ( м а с с о й в ы ш е л е ж а щ и х
горных пород) и у в е л и ч е н и е м т е м п е р а т у р ы , предполагается, что
м а к с и м а л ь н ы е о б ъ е м ы " э л и з и о н н о г о " п и т а н и я ф о р м и р у ю т с я на
участках и н т е н с и в н о г о п р о г и б а н и я ( п о г р у ж е н и я ) . Это п р и в о д и т к
формированию максимальных пластовых давлений в централь­
ных п о г р у ж а ю щ и х с я участках пластовой с и с т е м ы и их у м е н ь ш е ­
нию в направлении к относительно " п р и п о д н я т ы м " частям и
участкам с о т к р ы т о й гидравлической с в я з ь ю (зоны т е к т о н и ч е с к и х
н а р у ш е н и й , р а з м ы в ы с л а б о п р о н и ц а е м ы х слоев и др.) с в ы ш е л е ­
ж а щ и м и э л е м е н т а м и пластовой с и с т е м ы . В соответствии с этим
ф о р м и р у ю т с я " э л и з и о н н ы е " п о т о к и м е ж п л а с т о в ы х вод, д в и ж е ­
ние которых н а п р а в л е н о от ц е н т р а л ь н ы х п р о г и б а ю щ и х с я участ­
ков п л а с т о в о й с и с т е м ы к у ч а с т к а м о т н о с и т е л ь н о п р и п о д н я т ы м
(рис. 8.3, б).
http://geoschool.web.ru
196
Часть II. Ф о р м и р о в а н и е р а з л и ч н ы х т и п о в п о д з е м н ы х вод
В реальных условиях формирование элизионных межпласто­
вых п о т о к о в является з н а ч и т е л ь н о более с л о ж н ы м . О б ъ е м ы э л и зионного питания и ф о р м и р о в а н и е (распределение) пластовых
д а в л е н и й зависят не т о л ь к о от с к о р о с т и п о г р у ж е н и я , н о т а к ж е от
состава и м о щ н о с т и у п л о т н я ю щ и х с я горных пород, их п р о н и ц а е ­
м о с т и , п р о в о д и м о с т и в о д о н о с н ы х п л а с т о в , н а л и ч и я и л и отсут­
ствия у ч а с т к о в с о т к р ы т о й м е ж п л а с т о в о й с в я з ь ю , н а п р а в л е н и я
д в и ж е н и я о т ж и м а ю щ и х с я поровых растворов и д р .
В пределах к р у п н ы х участков пластовых систем в о б щ е м слу­
чае д в и ж е н и е п о т о к о в м е ж п л а с т о в ы х п о д з е м н ы х вод ф о р м и р у е т с я
при с о ч е т а н и и р а с с м о т р е н н ы х схем. В верхних частях гидрогео­
л о г и ч е с к о г о разреза в з а в и с и м о с т и от условия залегания горных
пород, рельефа и других ф а к т о р о в п о схеме " а р т е з и а н с к о г о " д в и ­
ж е н и я и схеме А . Н . Мятиева. В глубоких частях разреза (в з а в и ­
с и м о с т и от условий с глубин 1,0—1,5 км) по схеме а р т е з и а н с к о г о
д в и ж е н и я с разгрузкой путем п е р е т е к а н и я или п о " г и д р о г е о л о г и ­
ч е с к и м о к н а м " и схеме э л и з и о н н о г о д в и ж е н и я .
Формирование
химического
состава м е ж п л а с т о в ы х вод в т о й
или и н о й мере м о ж е т б ы т ь с в я з а н о с о в с е м и п р о ц е с с а м и , р а с ­
с м о т р е н н ы м и в гл. 4, о д н а к о их роль и м а с ш т а б ы п р о я в л е н и я за­
висят от т и п а в о д о в м е щ а ю щ и х пород, а т а к ж е от глубины и усло­
вий залегания к о н к р е т н ы х м е ж п л а с т о в ы х горизонтов.
П р о ц е с с ы выщелачивания наиболее и н т е н с и в н о п р о я в л я ю т с я в
в е р х н е й ч а с т и г и д р о г е о л о г и ч е с к о г о р а з р е з а . П о с к о л ь к у предел
насыщения по слаборастворимым соединениям (Si0 , С а С 0 ) до­
стигается, к а к п р а в и л о , в зоне а э р а ц и и и грунтовом в о д о н о с н о м
горизонте, у в е л и ч е н и е м и н е р а л и з а ц и и и и з м е н е н и е х и м и ч е с к о г о
состава в результате п р о ц е с с о в в ы щ е л а ч и в а н и я с в я з а н о с поступ­
л е н и е м более л е г к о р а с т в о р и м ы х с о е д и н е н и й ( C a S 0 , N a C l и др.).
Н а л и ч и е этих с о е д и н е н и й х а р а к т е р н о к а к д л я в о д о в м е щ а ю щ и х
пород с о б с т в е н н о м е ж п л а с т о в ы х г о р и з о н т о в , т а к и д л я с л а б о п р о ­
н и ц а е м ы х пород р а з д е л я ю щ и х слоев ( п р и ф о р м и р о в а н и и п о т о к о в
по схеме с п е р е т е к а н и е м , р и с . 8.3, б), где с у щ е с т в у ю т у с л о в и я
длительного с о х р а н е н и я л е г к о р а с т в о р и м ы х с о е д и н е н и й . В связи с
этим для участков ф о р м и р о в а н и я н и с х о д я щ е г о п и т а н и я м е ж п л а с ­
товых вод характерно п о с т е п е н н о е у в е л и ч е н и е м и н е р а л и з а ц и и д о
3,0—5,0 г/л и более п р и и з м е н е н и и х и м и ч е с к о г о состава от гид­
р о к а р б о н а т н о г о к с у л ь ф а т н о м у и х л о р и д н о м у . Н а участках, где
породы межпластовых горизонтов или слабопроницаемые слои
представлены г а л о г е н н ы м и ( и л и в з н а ч и т е л ь н о й мере з а с о л е н н ы ­
ми) п о р о д а м и , в результате п р о ц е с с о в в ы щ е л а ч и в а н и я ф о р м и р у ­
ются х л о р и д н ы е рассолы с м и н е р а л и з а ц и е й 100—150 г/л и более.
2
4
http://geoschool.web.ru
3
Глава 8. М е ж п л а с т о в ы е воды
197
П р и э л и з и о н н о й схеме ф о р м и р о в а н и я межпластовых п о т о к о в
х и м и ч е с к и й состав и м и н е р а л и з а ц и я п о д з е м н ы х вод в р е ш а ю щ е й
степени определяются составом седиментогенных поровых растворов,
о т ж и м а ю щ и х с я из у п л о т н я ю щ и х с я г о р н ы х п о р о д ( р и с . 8.3, в).
Х и м и ч е с к и й о б л и к п о р о в ы х растворов ( к о н ц е н т р а ц и я , состав о с ­
н о в н ы х к о м п о н е н т о в , м и к р о к о м п о н е н т ы , газовый состав и др.)
определяется у с л о в и я м и о с а д к о н а к о п л е н и я и может б ы т ь р а з л и ч ­
ным. Например, непосредственно с процессами отжатия седи­
м е н т о г е н н ы х поровых растворов с в я з ы в а ю т ф о р м и р о в а н и е в глу­
боких частях п л а с т о в ы х с и с т е м , с л о ж е н н ы х м о щ н ы м и т о л щ а м и
галогенных п о р о д ( П р и к а с п и й с к а я в п а д и н а , А н г а р о - Л е н с к и й р е ­
гион и д р . ) , в ы с о к о к о н ц е н т р и р о в а н н ы х 350—400 г/л и б о л е е )
х л о р и д н о - к а л ь ц и е в ы х (по В.А. Сулину) р а с с о л о в с п о в ы ш е н н ы м и
с о д е р ж а н и я м и I, В, Вг и других м и к р о к о м п о н е н т о в .
В м е ж п л а с т о в ы х системах, с л о ж е н н ы х с л о я м и горных пород,
существенно р а з л и ч н ы м и по м и н е р а л о г о - г е о х и м и ч е с к о м у и агре­
гатному составу, в о з м о ж н о п р о я в л е н и е с п е ц и ф и ч е с к и х ф и з и к о химических процессов (диффузия, адсорбция, ионный обмен,
м е м б р а н н ы е э ф ф е к т ы и д р . ) , к о т о р ы е по с у щ е с т в у ю щ и м п р е д ­
с т а в л е н и я м н а и б о л е е в е р о я т н ы и м е н н о при з а т р у д н е н н о й м е ж ­
пластовой фильтрации (перетекании) через слабопроницаемые
т о н к о д и с п е р с н ы е п о р о д ы . И м е ю щ и е с я д а н н ы е свидетельствуют о
том, что в условиях глубоких горизонтов разреза с м а л ы м и с к о ­
ростями к о н в е к т и в н о г о п е р е н о с а х и м и ч е с к и х к о м п о н е н т о в роль
таких м е д л е н н ы х п р о ц е с с о в м о ж е т б ы т ь в е с ь м а с у щ е с т в е н н о й .
О д н а к о м а с ш т а б ы в л и я н и я этих п р о ц е с с о в на х и м и ч е с к и й состав
и м и н е р а л и з а ц и ю межпластовых вод так же, как и биохимических,
с у щ е с т в е н н о п р о я в л я ю щ и х с я в о п р е д е л е н н ы х элементах п л а с т о ­
вых систем (см. гл. 4), до н а с т о я щ е г о в р е м е н и к о л и ч е с т в е н н о не
охарактеризованы.
В с в я з и с о с о б е н н о с т я м и структуры п о т о к о в п о д з е м н ы х вод
слоистых систем, п о с т о я н н ы м э л е м е н т о м которой является меж­
пластовое
взаимодействие
подземных
вод с м е ж н ы х в о д о н о с н ы х
горизонтов (рис. 8.3), о д н и м из в а ж н е й ш и х п р о ц е с с о в ф о р м и р о ­
вания х и м и ч е с к о г о состава и м и н е р а л и з а ц и и м е ж п л а с т о в ы х вод
я в л я е т с я п р о ц е с с смешения.
При взаимодействии водоносных
горизонтов в вертикальном разрезе для участков вертикальной
н и с х о д я щ е й ф и л ь т р а ц и и (области п и т а н и я ) в целом х а р а к т е р н о
р а с п р о с т р а н е н и е на о т н о с и т е л ь н о б о л ь ш у ю глубину м а л о м и н е р а ­
л и з о в а н н ы х Н С О " , S O " — Н С О " п о д з е м н ы х вод, п о с т у п а ю щ и х из
верхних г о р и з о н т о в разреза.
2
http://geoschool.web.ru
198
Часть II. Ф о р м и р о в а н и е р а з л и ч н ы х т и п о в п о д з е м н ы х вод
Для участков с в о с х о д я щ и м и п о т о к а м и межпластовых вод (об­
ласти разгрузки), наоборот, характерно о т н о с и т е л ь н о е увеличение
м и н е р а л и з а ц и и за счет п о с т у п л е н и я из н и ж н и х г о р и з о н т о в , как
п р а в и л о , более м и н е р а л и з о в а н н ы х вод С Г и S O — С Г состава.
В каждом к о н к р е т н о м случае в л и я н и е п р о ц е с с о в с м е ш е н и я в вер­
т и к а л ь н о м разрезе проявляется п о - р а з н о м у , поскольку зависит от
интенсивности (расходов л / с • к м , м / с у т - к м ) межпластового
в з а и м о д е й с т в и я , а также различий состава и м и н е р а л и з а ц и и п о д ­
з е м н ы х вод в с м е ж н ы х в о д о н о с н ы х горизонтах.
Т а к , на участках пластовых с и с т е м , где на о т н о с и т е л ь н о н е ­
б о л ь ш о й глубине (200—250 м) р а с п р о с т р а н е н ы с о л е н о с н ы е или
и н т е н с и в н о з а с о л е н н ы е породы ( П р и у р а л ь е , А н г а р о - Л е н с к и й р е ­
гион и др.), процессы м е ж п л а с т о в о й восходящей ф и л ь т р а ц и и на
участках и н т е н с и в н о й разгрузки глубоких вод, связанных с глубо­
кими э р о з и о н н ы м и врезами, приводят к ф о р м и р о в а н и ю в верхних
горизонтах ( в п л о т ь до грунтовых вод) так н а з ы в а е м ы х к у п о л о в
в ы с о к о м и н е р а т и з о в а н н ы х х л о р и д н ы х вод и рассолов (рис. 8.4).
2 -
2
1
Т I 2
3
3
! + +4
2
ft
5 — —10
Рис. 8.4. Схема формирования купола минерализованных вод на участке восходя­
щей разгрузки межпластовых вод: / — водоносные породы. 2 — елабопроницаемыс породы, .? — направление движения потоков грунтовых и межпластовых
вод. 4 — межпластовое движение подземных вод (перетекание), 5 — восходящая
разгрузка глубоких минерализованных вод, 6 — изолинии минерализации (г/л)
О д н а к о в л и я н и е п р о ц е с с о в с м е ш е н и я не о г р а н и ч и в а е т с я к о н ­
в е к т и в н ы м переносом и м е х а н и ч е с к и м п е р е м е ш и в а н и е м (разбав­
л е н и е , к о н ц е н т р и р о в а н и е ) вод разного состава и м и н е р а л и з а ц и и .
В результате межпластового взаимодействия подземные воды,
имеющие определенный химический облик, сформировавшийся
в определенных условиях, попадают (могут попасть) в существенно
другие геохимические и т е р м о б а р и ч е с к и е условия (другой м и н е -
http://geoschool.web.ru
Глава 8. М е ж п л а с т о в ы е воды
199
ралого-геохимический состав горных пород, состав подземных вод
и газов, и з м е н е н и я , иногда д о с т а т о ч н о р е з к и е , пластовых т е м п е ­
ратур и д а в л е н и й и д р . ) . Э т о н е и з б е ж н о п р и в о д и т к более и л и
менее р е з к и м н а р у ш е н и я м с у щ е с т в о в а в ш и х х и м и ч е с к и х р а в н о в е ­
сий, что стимулирует определенные химические реакции (растворе­
ние, м и н е р а л о о б р а з о в а н и е , к а т и о н н ы й о б м е н и д р . ) , п р и в о д я щ и е
к с у щ е с т в е н н ы м и з м е н е н и я м состава и м и н е р а л и з а ц и и м е ж п л а с ­
товых вод.
В связи с н а л и ч и е м с л а б о п р о н и ц а е м о й кровли м е ж п л а с т о в ы е
в о д о н о с н ы е горизонты даже в верхней части гидрогеологического
разреза (см. рис. 8.1) з н а ч и т е л ь н о л у ч ш е п о с р а в н е н и ю с грунто­
воз­
выми водами з а щ и щ е н ы от р а з л и ч н ы х видов антропогенного
действия через поверхность земли (см. гл. 16).
Режим м е ж п л а с т о в ы х вод в с р а в н е н и и с г р у н т о в ы м и водами
является значительно более стабильным. Действие экзогенных
режимообразующих факторов относительно заметно проявляется
только на участках о т к р ы т ы х выходов в о д о н о с н ы х п л а с т о в (см.
рис. 8.3, а) и л и в верхнем г о р и з о н т е на участках и н т е н с и в н о й
связи с грунтовыми водами (см. рис. 8.3, б). С удалением от участ­
ков выхода пластов на поверхность и у в е л и ч е н и е м глубины зале­
гания в о д о н о с н ы х г о р и з о н т о в в л и я н и е э к з о г е н н ы х р е ж и м о о б р а ­
зующих ф а к т о р о в п р а к т и ч е с к и не проявляется.
П о с у щ е с т в у ю щ и м п р е д с т а в л е н и я м на глубинах 30—40 м и
более п р а к т и ч е с к и не ф и к с и р у ю т с я с е з о н н ы е и годовые колеба­
ния у р о в н е й , т е м п е р а т у р и х и м и ч е с к о г о состава п о д з е м н ы х вод
(B.C. К о в а л е в с к и й ) . О д н а к о на участках и н т е н с и в н о й м е ж п л а с т о ­
вой связи (участки и н т е н с и в н о г о н и с х о д я щ е г о п и т а н и я или р а з ­
грузки межпластовых вод), где баланс взаимодействия водоносных
горизонтов в разрезе в значительной мере определяется и з м е н е н и ­
ем положения уровней грунтовых вод (см. рис. 7.5), такие колеба­
ния с соответствующим сдвигом во времени могут проявляться до
глубины 150—200 м и более ( Н . М . Ф р о л о в ) . С удалением от участ­
ков открытой связи с грунтовыми водами и увеличением глубины
залегания межпластовых вод к о л е б а н и я их у р о в н е й , температур и
химического состава о т н о с и т е л ь н о б ы с т р о затухают. К а к п р а в и л о ,
на глубинах 100—150 м и более для р е ж и м а межпластовых водо­
н о с н ы х горизонтов х а р а к т е р н ы т о л ь к о с л а б о в ы р а ж е н н ы е м н о г о ­
летние к о л е б а н и я , связь которых с о с н о в н ы м и ( э к з о г е н н ы м и ) р е ж и м о о б р а з у ю щ и м и ф а к т о р а м и устанавливается условно. В то же
время в межпластовых в о д о н о с н ы х горизонтах в связи с упругим
режимом ф и л ь т р а ц и и и б о л ь ш и м и скоростями перераспределения
http://geoschool.web.ru
200
Часть II. Ф о р м и р о в а н и е р а з л и ч н ы х т и п о в п о д з е м н ы х вод
п л а с т о в ы х д а в л е н и й з н а ч и т е л ь н о более р е з к о , чем в г р у н т о в о м
в о д о н о с н о м горизонте, и на з н а ч и т е л ь н о б о л ь ш и е р а с с т о я н и я (по
пласту) п р о я в л я ю т с я и з м е н е н и я г и д р о д и н а м и ч е с к о г о р е ж и м а
(при нарушении условий межпластового взаимодействия также
и з м е н е н и я т е м п е р а т у р и х и м и ч е с к о г о с о с т а в а п о д з е м н ы х вод),
связанные с техногенными воздействиями (самоизлив скважин
при вскрытии пласта, откачки или нагнетания, эксплуатация нефтя­
ных и газовых м е с т о р о ж д е н и й и др.).
В глубоких частях пластовых систем (на глубинах 1500—2000 м
и более) р е ж и м м е ж п л а с т о в ы х вод по с у щ е с т в у ю щ и м представле­
ниям является практически стабильным. Однако ограниченные
д а н н ы е и т е о р е т и ч е с к и е представления (В.И. Д ю н и н , 2001; и др.)
свидетельствуют о т о м , что и для таких глубин могут б ы т ь харак­
терны достаточно резкие проявления гидродинамического режима
( и з м е н е н и я пластовых д а в л е н и й ) , с в я з а н н ы е с в л и я н и е м э н д о г е н ­
ных факторов (возникновение и релаксация тектонических на­
п р я ж е н и й , з е м л е т р я с е н и я и др.).
Глава
9
ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ В ТРЕЩИНОВАТЫХ
И ЗАКАРСТОВАННЫХ ПОРОДАХ
Т р е щ и н н ы е и т р е щ и н н о - к а р с т о в ы е п о д з е м н ы е воды выделены
в самостоятельные т и п ы на основе различия генезиса и структуры
с в о б о д н о г о п р о с т р а н с т в а в м и н е р а л ь н о м скелете г о р н ы х пород.
Иногда они рассматриваются как единый т р е щ и н н о - ж и л ь н ы й
тип с к о п л е н и й п о д з е м н ы х вод в о т л и ч и е от пластовых, характер­
ных для рыхлых и с л а б о с ц е м е н т и р о в а н н ы х осадочных пород
( И . К . З а й ц е в и др.).
Т и п в о д о в м е щ а ю щ и х п о р о д (тип с р е д ы ) о п р е д е л я е т в э т о м
случае с у щ е с т в е н н ы е р а з л и ч и я п р о с т р а н с т в е н н о г о р а с п р е д е л е н и я
фильтрационных и емкостных параметров гидрогеологического
разреза и, следовательно, р а з л и ч н ы е з а к о н о м е р н о с т и р а с п р о с т р а ­
н е н и я и ф о р м и р о в а н и я п о д з е м н ы х вод (условия з а л е г а н и я , рас­
пределение в е л и ч и н п и т а н и я и разгрузки, в з а и м о д е й с т в и е с п о ­
в е р х н о с т н ы м и водами, ф о р м и р о в а н и е х и м и ч е с к о г о состава и др.).
Д л я условий ф о р м и р о в а н и я , н а п р и м е р , грунтовых вод эти р а з л и ­
чия о к а з ы в а ю т с я н а с т о л ь к о с у щ е с т в е н н ы м и , что на всех схемах
р а й о н и р о в а н и я т р е щ и н н ы е и т р е щ и н н о - к а р с т о в ы е воды рассмат­
риваются как о с о б ы е а з о н а л ь н ы е т и п ы грунтовых вод (см. гл. 7).
http://geoschool.web.ru
Глава 9. П о д з е м н ы е воды в т р е щ и н о в а т ы х и з а к а р с т о в а н н ы х породах
201
9.1. Трещинные воды
Т р е щ и н н ы е п о д з е м н ы е воды я в л я ю т с я о с н о в н ы м т и п о м с в о ­
бодных ( г р а в и т а ц и о н н ы х ) вод в и з в е р ж е н н ы х , м е т а м о р ф и ч е с к и х ,
с и л ь н о л и т и ф и ц и р о в а н н ы х осадочных и в у л к а н о г е н н ы х породах,
фильтрационные и емкостные свойства которых определяются
развитием трещиноватости (трещин) различных генетических
типов.
Как было показано выше (см. гл. 6), трещиноватые породы могут быть отне­
сены к определенным типам и подтипам трещинных сред, для которых характер­
ны существенные различия пространственного распределения и величин фильт­
рационных и емкостных параметров.
В з а в и с и м о с т и от и н т е н с и в н о с т и т р е щ и н о в а т о с т и , р а с к р ы т и я
т р е щ и н , н а л и ч и я или отсутствия з а п о л н и т е л я ( в т о р и ч н ы е м и н е ­
ралы, или р ы х л ы й материал) п р о н и ц а е м о с т ь т р е щ и н о в а т ы х пород
(даже о д н о г о с о с т а в а ) м о ж е т и з м е н я т ь с я п р а к т и ч е с к и от 0 д о
п - 10 м/сут и более. Г р а в и т а ц и о н н а я е м к о с т ь т р е щ и н о в а т ы х п о ­
род в о т л и ч и е от поровых сред всегда является более н и з к о й и не
превышает, как п р а в и л о , 1,0—5,0% (0,01—0,05).
В качестве п о д т и п о в т р е щ и н н ы х вод ( в ы д е л е н н ы х по генезису
и характеру р а с п р о с т р а н е н и я т р е щ и н о в а т о с т и ) о б ы ч н о р а с с м а т ­
риваются (см. табл. 6.2): 1) р е г и о н а л ь н о р а с п р о с т р а н е н н ы е т р е ­
щ и н н ы е п р е и м у щ е с т в е н н о грунтовые воды верхней з о н ы вывет­
р и в а н и я м а с с и в о в с к а л ь н ы х пород; 2) л и н е й н о - л о к а л ь н ы е потоки
т р е щ и н н о - ж и л ь н ы х вод зон т е к т о н и ч е с к и х н а р у ш е н и й ( т е к т о н и ­
ческого д р о б л е н и я горных пород); 3) н а п о р н ы е т р е щ и н н ы е воды
л о к а л ь н ы х зон г л у б и н н о й т р е щ и н о в а т о с т и ( р а з у п л о т н е н и я ) г о р ­
ных пород ( т е к т о н и ч е с к а я , м е т а м о р ф о г е н н а я , к р и о г е н н а я т р е щ и ­
новатость и д р . ) ; 4) п л а с т о в ы е т р е щ и н н ы е ( п о р о в о - т р е щ и н н ы е )
воды, с в я з а н н ы е со с л о и с т ы м и с и л ь н о л и т и ф и ц и р о в а н н ы м и или
м е т а м о р ф и з о в а н н ы м и п о р о д а м и о с а д о ч н о г о чехла п л а т ф о р м и
г о р н о - с к л а д ч а т ы х областей; 5) т р е щ и н н ы е и п о р о в о - т р е щ и н н ы е
п о д з е м н ы е воды в у л к а н о г е н н ы х и в у л к а н о г е н н о - о с а д о ч н ы х пород
областей м о л о д о г о в у л к а н и з м а ( З а й ц е в , 1986).
2
Основными типами, наиболее широко распространенными и
относительно хорошо изученными, собственно т р е щ и н н ы м и , я в ­
л я ю т с я п о д з е м н ы е воды верхней з о н ы в ы в е т р и в а н и я и т р е щ и н н о - ж и л ь н ы е воды зон т е к т о н и ч е с к и х н а р у ш е н и й . Другие п о д т и ­
пы т р е щ и н н ы х вод к р а т к о р а с с м о т р е н ы н и ж е (см. гл. 11).
Трещинные подземные воды зоны экзогенной
трещиноватости
р а с п р о с т р а н е н ы п о в с е м е с т н о в верхней части м а с с и в о в с к а л ь н ы х
пород р а з л и ч н о г о состава. М о щ н о с т ь верхней з о н ы с и н т е н с и в -
http://geoschool.web.ru
Часть II. Ф о р м и р о в а н и е р а з л и ч н ы х т и п о в п о д з е м н ы х вод
202
ной э к з о г е н н о й т р е ш и н о в а т о с т ь ю в з а в и с и м о с т и от состава и воз­
раста г о р н ы х п о р о д , с т е п е н и их д и с л о ц и р о в а н н о е ™ , р е л ь е ф а ,
к л и м а т и ч е с к и х ф а к т о р о в з н а ч и т е л ь н о и з м е н я е т с я : от н е с к о л ь к и х
до 100—150 м. О д н а к о с о б с т в е н н о э к з о г е н н ы й тип т р е щ и н , с в я ­
занных с процессами выветривания горных пород, может быть
развит на з н а ч и т е л ь н о б о л ь ш у ю глубину (до 500 м и, в е р о я т н о ,
глубже). И н т е н с и в н о с т ь т р е щ и н о в а т о с т и , т р е щ и н н а я с к в а ж н о с т ь
и п р о н и ц а е м о с т ь горных пород в верхней зоне также м е н я ю т с я в
широких пределах, однако в большинстве случаев изменение
этих с в о й с т в в разрезе м о ж е т б ы т ь о х а р а к т е р и з о в а н о к р и в ы м и ,
п р и в е д е н н ы м и на рис. 9.1. О б щ и й вид этих кривых свидетельству­
ет о том, что в зоне э к з о г е н н о й трещиноватости массива скальных
пород могут быть выделены три х а р а к т е р н ы е п о д з о н ы : 1) верхняя
(до 10—15 м ) с о т н о с и т е л ь н о в ы с о к о й п р о н и ц а е м о с т ь ю т р е щ и ­
н о в а т ы х п о р о д , к о т о р а я в з а в и с и м о с т и от их с о с т а в а и других
ф а к т о р о в и з м е н я е т с я от 0,5 д о 30 м/сут и более. В с а м о й верхней
части п о д з о н ы п р о н и ц а е м о с т ь м о ж е т р е з к о с н и ж а т ь с я за счет
кольматации трещинного пространства глинистым материалом,
о б р а з у ю щ и м с я п р и в ы в е т р и в а н и и с к а л ь н ы х п о р о д ; 2) с р е д н я я
(60—80 м, иногда б о л ь ш е ) , для которой характерно п о с т е п е н н о е
у м е н ь ш е н и е п р о н и ц а е м о с т и д о 10~ — Ю м/сут; 3) н и ж н я я , для
которой в связи с "'затуханием" э к з о г е н н о й т р е щ и н о в а т о с т и ха­
рактерна в целом относительно низкая проницаемость горных
пород (рис. 9.1, а).
1
2
- 3
Естественно, что зависимость, приведенная на рис. 9.1, более или менее хо­
рошо прослеживается в однородных разрезах и может резко нарушаться при на­
личии слоистости или контактов пород разного состава в связи с зонами текто­
нических нарушений, интенсивными проявлениями складчатости и др.
Несмотря на н е с к о л ь к о у с л о в н ы й характер к р и в ы х (рис. 9.1),
о н и п о з в о л я ю т сделать три п р и н ц и п и а л ь н о важных вывода.
1. В з о н е э к з о г е н н о й т р е щ и н о в а т о с т и с о б с т в е н н о
водоносный
горизонт может быть связан только с ее верхней частью (подзоны 1
и 2), причем ф и л ь т р а ц и о н н ы е и в о п р е д е л е н н о й мере е м к о с т н ы е
свойства даже пород одного состава во всех случаях могут резко
изменяться на коротких расстояниях в связи с различной глубиной
залегания уровня грунтовых вод.
2. В о д н о р о д н ы х (неслоистых) разрезах о т н о с и т е л ь н о слабопро­
ницаемой подошвой в о д о н о с н о г о горизонта з о н ы э к з о г е н н о й тре­
щ и н о в а т о с т и могут являться п о р о д ы того же состава и возраста.
' Здесь и далее приводятся примерные (средние) цифры, поскольку в зави­
симости от факторов, названных выше, мощность подзон может меняться в
широких пределах.
http://geoschool.web.ru
Глава 9. П о д з е м н ы е воды в т р е щ и н о в а т ы х и з а к а р с т о в а н н ы х породах
203
Л/с. 9.1. Характер изменения проницаемости трещиноватых
порол с увеличением ы у б и н ы залегания: а — кембрийских
терригенных и метаморфических порол, бассейн р. Чусовой
(Ср. Урал); о — карбонатных палеозойских пород, бассейн
р. Чусовой: в — среднего удельного дебита скважин в метамор­
фических породах Стейсвилла. США (по Р. Денису и Д. де Уисту,
1976). Цифры — количество точек опробования
3. При резко расчлененном рельефе относительно возвышенные
участки междуречий с глубоким залеганием уровня грунтовых вод
(в периоды отсутствия и н ф и л ь т р а ц и о н н о г о питания) оказываются
п р а к т и ч е с к и сдренированными
(отсутствие в о д о н о с н о г о г о р и з о н ­
та), п о с к о л ь к у с о б с т в е н н о в о д о н о с н о й я в л я е т с я т о л ь к о н и ж н я я
часть з о н ы э к з о г е н н о й т р е щ и н о в а т о с т и , с л о ж е н н а я с л а б о п р о н и ­
цаемыми породами.
С учетом с д е л а н н ы х в ы ш е з а м е ч а н и й м о ж н о считать, что т р е ­
щ и н н ы е воды з о н ы э к з о г е н н о й т р е щ и н о в а т о с т и образуют е д и н ы й
в о д о н о с н ы й горизонт, р е г и о н а л ь н о р а с п р о с т р а н е н н ы й в верхней
части массива или области распространения трещиноватых горных
пород.
Условия залегания т р е щ и н н ы х вод з о н ы э к з о г е н н о й т р е щ и н о ­
ватости, их п и т а н и я и разгрузки о п р е д е л я ю т с я с т р о е н и е м гидро-
http://geoschool.web.ru
Часть II. Ф о р м и р о в а н и е р а з л и ч н ы х т и п о в п о д з е м н ы х вод
204
Рис. 9.2. Различные схемы строения
зоны аэрации массивов трещиноватых
пород: / — трещиноватые скальные по­
роды, 2 — рыхлые хорошо проницае­
мые отложения, 3 — рыхлые — слабо­
проницаемые, 4 — уровень грунтовых
вод; 5 — местный напор фунтовых вод
геологического разреза, включая
разрез ( м о щ н о с т ь , состав) р ы х ' ' ''
' '
лых четвертичных или более древних
—I
-т г
образований, п е р е к р ы в а ю щ и х т р е щ и ­
новатые скальные породы (рис. 9.2).
В разрезах первого типа т р е щ и н н ы е воды верхней з о н ы по ус­
л о в и я м залегания всегда я в л я ю т с я грунтовыми со с в о б о д н о й п о ­
верхностью. В разрезах второго т и п а п р и н е г л у б о к о м з а л е г а н и и
уровня т р е щ и н н ы е воды образуют е д и н ы й в о д о н о с н ы й горизонт
с водами рыхлых о т л о ж е н и й (также грунтовые воды со свободной
п о в е р х н о с т ь ю ) . П р и глубоком з а л е г а н и и у р о в н я т р е щ и н н ы х вод
хорошо п р о н и ц а е м ы е рыхлые отложения образуют верхнюю часть
разреза зоны а э р а ц и и , что в р е ш а ю щ е й мере определяет условия
ф о р м и р о в а н и я и н ф и л ь т р а ц и о н н о г о питания т р е щ и н н ы х вод, вели­
чины питания и их распределение во времени. В разрезах третьего
типа при неглубоком залегании уровня с л а б о п р о н и ц а е м ы е породы
играют роль относительно водоупорной кровли горизонта т р е щ и н ­
ных вод, в связи с чем последние приобретают местный н а п о р , ве­
л и ч и н а которого в з а в и с и м о с т и от рельефа, состава и м о щ н о с т и
рыхлых о т л о ж е н и й и других ф а к т о р о в может достигать 10—15 м
и более. При глубоком залегании с в о б о д н о г о уровня т р е щ и н н ы х
вод н а л и ч и е с л а б о п р о н и ц а е м ы х п о р о д в верхней части разреза
резко ухудшает условия их и н ф и л ь т р а ц и о н н о г о питания. На платообразных и о т н о с и т е л ь н о в ы р о в н е н н ы х участках в этом случае
в о з м о ж н о ф о р м и р о в а н и е (в рыхлых отложениях) л о к а л ь н ы х водо­
носных горизонтов типа верховодки, а в зоне избыточного увлаж­
нения — о б ш и р н ы х верховых болот, " п о д в е ш е н н ы х " относительно
уровня в о д о н о с н о г о горизонта з о н ы э к з о г е н н о й т р е щ и н о в а т о с т и
( С р е д н и й и С е в е р н ы й Урал, К о л ь с к и й п-ов и др.).
1
1
Y
1
В случае, когда зона э к з о г е н н о й т р е щ и н о в а т о с т и с к а л ь н ы х п о ­
род п е р е к р ы т а т о л щ е й рыхлых и с л а б о с ц е м е н т и р о в а н н ы х осадоч­
ных о т л о ж е н и й , м о щ н о с т ь к о т о р ы х д о с т и г а е т н е с к о л ь к и х сотен
метров и более, она содержит, как правило, н а п о р н ы е и в ы с о к о н а ­
п о р н ы е т р е щ и н н ы е воды. О д н а к о в этих условиях п р о н и ц а е м о с т ь
п о р о д верхней з о н ы т р е щ и н о в а т о с т и о б ы ч н о р е з к о с о к р а щ е н а
http://geoschool.web.ru
Глава 9. П о д з е м н ы е воды в т р е щ и н о в а т ы х и з а к а р с т о в а н н ы х породах
205
за счет п р о ц е с с о в ц е м е н т а ц и и т р е щ и н н о г о пространства и уплот­
н е н и я от д а в л е н и я в ы ш е л е ж а щ и х пород.
В районах с и з б ы т о ч н ы м увлажнением (умеренные и т р о п и ч е ­
ские ш и р о т ы ) при ф о р м и р о в а н и и значительных (до 100 м и более)
о б р а з о в а н и й к о р ы в ы в е т р и в а н и я в зоне э к з о г е н н о й т р е щ и н о в а ­
тости н е р е д к о образуются м о щ н ы е (до 30—50 м и более) пачки
слабопроницаемых пород (глины коры выветривания). Наличие
с л а б о п р о н и ц а е м ы х глинистых о т л о ж е н и й приводит к ф о р м и р о в а ­
нию над н и м и л о к а л ь н ы х водоносных горизонтов типа верховод­
ки, а под н и м и в собственно т р е щ и н о в а т ы х породах — н а п о р н ы х и
с л а б о н а п о р н ы х п о д з е м н ы х вод з о н ы э к з о г е н н о й т р е щ и н о в а т о с т и .
На т е р р и т о р и я х с у м е р е н н ы м или н е д о с т а т о ч н ы м у в л а ж н е н и ­
ем участки с глубинами залегания уровня т р е щ и н н ы х вод более
50—60 м н е р е д к о я в л я ю т с я п р а к т и ч е с к и б е з в о д н ы м и или с о д е р ­
жат с е з о н н ы е в о д о н о с н ы е г о р и з о н т ы , с у щ е с т в у ю щ и е т о л ь к о в п е ­
риоды и н т е н с и в н о г о в ы п а д е н и я а т м о с ф е р н ы х о с а д к о в . П р и м а ­
л о й м о щ н о с т и (10—15 м) з о н ы э к з о г е н н о й т р е щ и н о в а т о с т и в
районах с н е д о с т а т о ч н ы м у в л а ж н е н и е м эта з а к о н о м е р н о с т ь п р о ­
является е щ е более р е з к о (табл. 9.1).
Таблица 9.1
Характеристика т р е щ и н н ы х вод д о к е м б р и й с к и х гранитов Ю ж н о й А ф р и к и
Число скважин
Средняя глубина, м
Глубина до воды, м
Глубина статиче­
ского уровня, м
Дебит, л/с
Число безводных
скважин
(средние значения) (Маринов и др., 1978)
Претория
62
39
21
1 1
1,0
14
Северный Трансвааль
497
46,8
33.6
23,1
1,13
25
Рюстенбург
130
60.3
51
39,9
0,9
50
Район
Питание т р е щ и н н ы х грунтовых вод ф о р м и р у е т с я за счет и н ­
ф и л ь т р а ц и и а т м о с ф е р н ы х о с а д к о в п р а к т и ч е с к и на всей п л о щ а д и
массива. В пределах р а в н и н н ы х и н и з к о г о р н ы х т е р р и т о р и й сред­
ние г о д о в ы е в е л и ч и н ы п и т а н и я т е с н о с в я з а н ы с п р о я в л е н и е м
ш и р о т н о й к л и м а т и ч е с к о й з о н а л ь н о с т и (см. гл. 7), в с р е д н е - и в ы ­
с о к о г о р н ы х районах — в ы с о т н о й к л и м а т и ч е с к о й п о я с н о с т и .
О д н а к о даже в е д и н ы х к л и м а т и ч е с к и х условиях в е л и ч и н ы и н ­
ф и л ь т р а ц и о н н о г о п и т а н и я грунтовых т р е щ и н н ы х вод, как п р а в и -
http://geoschool.web.ru
206
Часть II. Ф о р м и р о в а н и е р а з л и ч н ы х т и п о в п о д з е м н ы х вод
л о , р е з к о м е н я ю т с я на к о р о т к и х р а с с т о я н и я х в з а в и с и м о с т и от
рельефа и типа строения зоны а э р а ц и и . Так, на территории К о л ь ­
ского п-ова средние величины инфильтрационного питания, в пре­
делах площадей речных бассейнов изменяются от 10 до 300 мм/год
и более. Н а и б о л е е б л а г о п р и я т н ы е условия и н ф и л ь т р а ц и и харак­
терны для р а в н и н н ы х , платообразных и других плоских участков
(особенно при наличии замкнутых м и к р о п о н и ж е н и й рельефа),
сложенных непосредственно с поверхности трещиноватыми по­
родами или х о р о ш о п р о н и ц а е м ы м и р ы х л ы м и о б р а з о в а н и я м и
(см. рис. 9.2, 1- и 2-й т и п ы разреза). На склонах, о с о б е н н о если
трещиноватые породы перекрыты относительно рыхлыми сла­
б о п р о н и ц а е м ы м и о б р а з о в а н и я м и (3-й тип разреза), значительная
часть в ы п а д а ю щ и х а т м о с ф е р н ы х осадков расходуется на ф о р м и ­
рование поверхностного (склонового) стока, что резко снижает воз­
можности и н ф и л ь т р а ц и о н н о г о п и т а н и я грунтовых вод. На в ы с о ­
ких элементах рельефа с б о л ь ш и м и глубинами залегания уровня
грунтовых т р е щ и н н ы х вод в о з м о ж н о также ф о р м и р о в а н и е их п и ­
т а н и я за счет п о г л о щ е н и я поверхностных вод верховьев гидрогра­
ф и ч е с к о й сети и в р е м е н н ы х водотоков.
Д в и ж е н и е г р у н т о в ы х вод з о н ы э к з о г е н н о й т р е щ и н о в а т о с т и
всегда тесно связано с с о в р е м е н н ы м рельефом территории. В пре­
делах каждого п о в е р х н о с т н о г о водосбора (речного бассейна) ф о р ­
мируется гидравлически о б о с о б л е н н ы й поток грунтовых вод, на­
п р а в л е н н ы й от п р и п о д н я т ы х водораздельных участков к м е с т н ы м
э р о з и о н н ы м п о н и ж е н и я м . Г р а н и ц ы п о т о к о в п р и м е р н о совпадают
с с о в р е м е н н ы м и п о в е р х н о с т н ы м и водоразделами т е р р и т о р и и .
Разгрузка грунтовых вод зоны э к з о г е н н о й трещиноватости ф о р ­
мируется как в виде о т к р ы т ы х выходов ( р о д н и к и ) , так и с к р ы т о в
г и д р о г р а ф и ч е с к у ю сеть или н е п о с р е д с т в е н н о из т р е щ и н о в а т ы х
пород, или через рыхлые а л л ю в и а л ь н ы е ( а л л ю в и а л ь н о - п р о л ю в и а л ь н ы е , о з е р н ы е и др.) о т л о ж е н и я . Б о л ь ш и н с т в о о т к р ы т ы х в ы х о ­
д о в п о д з е м н ы х вод ( р о д н и к о в ) я в л я ю т с я д е п р е с с и о н н ы м и , п о ­
скольку э р о з и о н н ы е врезы не в с к р ы в а ю т п о л н о с т ь ю разрез з о н ы
экзогенной трещиноватости (рис. 9.3). Д е б и т ы источников о б ы ч н о
составляют д е с я т ы е д о л и , реже д о 2—3 л / с и более.
Х а р а к т е р н ы м и в и д а м и разгрузки я в л я ю т с я р а с с р е д о т о ч е н н ы е
в ы с а ч и в а н и я и с у б ф л ю в и а л ь н ы е выходы, ф о р м и р у ю щ и е с я в н и ж ­
них частях с к л о н о в и в верховьях с о в р е м е н н о й г и д р о г р а ф и ч е с к о й
сети.
Д е б и т ы с к в а ж и н о б ы ч н о и з м е н я ю т с я от 0,1—0,5 д о 2—3 л / с
(см. табл. 9.1). На п о н и ж е н н ы х участках т е р р и т о р и и при н а л и ч и и
в верхней части разреза с л а б о п р о н и ц а е м ы х пород (3-й тип разреза)
http://geoschool.web.ru
Глава 9. П о д з е м н ы е воды в т р е щ и н о в а т ы х и з а к а р с т о в а н н ы х породах
207
с к в а ж и н ы нередко в с к р ы в а ю т н а п о р н ы е с а м о и з л и в а ю щ и е с я т р е ­
щ и н н ы е в о д ы , разгрузка к о т о р ы х о с у щ е с т в л я е т с я путем затруд­
н е н н о й в е р т и к а л ь н о й ф и л ь т р а ц и и ( р и с . 9.3). П р и т о к и в г о р н ы е
в ы р а б о т к и в з а в и с и м о с т и от к л и м а т а т е р р и т о р и и , т и п а г о р н ы х
пород и м о щ н о с т и верхней зоны т р е щ и н о в а т о с т и и з м е н я ю т с я в
ш и р о к и х пределах: от 3,0—5,0 д о 500—1000 м / ч и более. П р и
этом п р а к т и ч е с к и во всех случаях о т м е ч а е т с я , что при условии
отсутствия связи с п о в е р х н о с т н ы м и водами в о д о п р и т о к и с увели­
чением глубины горных выработок п о с т е п е н н о увеличиваются д о
глубины п о р я д к а 100 м. В д а л ь н е й ш е м п р и углублении горных
выработок в е л и ч и н ы в о д о п р и т о к о в п р а к т и ч е с к и не возрастают.
Формирование химического состава грунтовых вод з о н ы э к з о г е н ­
ной т р е щ и н о в а т о с т и определяется двумя о с н о в н ы м и ф а к т о р а м и :
1) короткими ( м е с т н ы м и ) путями ф и л ь т р а ц и и и в целом в ы с о к и м и
скоростями д в и ж е н и я грунтовых вод; 2) отсутствием, как правило,
в верхней зоне массивов скальных пород легкорастворимых м и н е ­
ральных с о е д и н е н и й . В этих условиях ф о р м и р у ю т с я преимущест­
венно ультрапресные и м а л о м и н е р а л и з о в а н н ы е (до 150—200 м г / л ,
реже более) ф у н т о в ы е воды гидрокарбонатного кальциевого (кальциево-магниевого, реже кальциево-натриевого) состава. Воды суль­
ф а т н о г о и хлоридного состава с м и н е р а л и з а ц и е й д о 2,0—3,0 г/л и
более могут ф о р м и р о в а т ь с я в з о н е э к з о г е н н о й т р е щ и н о в а т о с т и
гипс-ангидритовых и и н т е н с и в н о загипсованных пород. В отдель­
ных случаях в з о н е э к з о г е н н о й т р е щ и н о в а т о с т и ( Ю ж н ы й Урал,
Аравийская пустыня и др.) в о з м о ж н о ф о р м и р о в а н и е C I — N a , S 0 ,
CI—Са, N a п о д з е м н ы х вод с м и н е р а л и з а ц и е й д о 10—30 г/л и б о ­
лее. Н а л и ч и е этих вод может б ы т ь с в я з а н о с п р о ц е с с о м к о н т и ­
нентального засоления при разгрузке грунтовых вод и с п а р е н и е м ,
с участками восходящей
Грунтовые воды
разгрузки б о л е е г л у б о ­
со свободной
поверхностью
ких т р е щ и н н ы х вод, а н ­
тропогенным загрязне3
4
"
Рис. 9.3. Схема разгрузки [рунтовых вод зоны экзогенной
трещиноватости: / — трещи­
новатые скальные породы,
2 — рыхлые слабопроницае­
мые отложения, 3 — уровень
грунтовых вод, 4 — источни­
ки, 5 — скважина, стрелка —
величина местного напора под­
земных вод
^
/
1
Воды
, ~Ч ^
<! \ ^
http://geoschool.web.ru
с «местным» напором
1 (самоизливающиеся)
208
Часть II. Ф о р м и р о в а н и е р а з л и ч н ы х т и п о в п о д з е м н ы х вод
нием и др. П р и р а с п р о с т р а н е н и и в верхней части разреза з а с о ­
ленных отложений (соленосный флиш Карпатской складчатой
области) н е п о с р е д с т в е н н о в верхней зоне в о з м о ж н о ф о р м и р о в а ­
ние хлоридных вод с м и н е р а л и з а ц и е й д о 50—70 г/л и более. П р и
н а л и ч и и п о л и м е т а л л и ч е с к о г о о р у д е н е н и я т р е щ и н н ы е воды верх­
ней з о н ы могут с о д е р ж а т ь Fe, M n , Z n , Pb в к о н ц е н т р а ц и я х д о
10 мг/л и более.
Режим грунтовых вод з о н ы э к з о г е н н о й т р е щ и н о в а т о с т и ф о р ­
мируется под в о з д е й с т в и е м к л и м а т и ч е с к и х ( м е т е о р о л о г и ч е с к и х )
ф а к т о р о в и в целом характеризуется значительной изменчивостью,
особенно на участках, где непосредственно с поверхности распрост­
ранены и н т е н с и в н о т р е щ и н о в а т ы е породы. В периоды весеннего
снеготаяния или обильного выпадения ж и д к и х атмосферных осад­
ков здесь ф о р м и р у е т с я и н т е н с и в н о е ( б ы с т р о е ) и н ф л ю а ц и о н н о е
п и т а н и е , которое при н и з к и х з н а ч е н и я х г р а в и т а ц и о н н о й е м к о с т и
т р е щ и н о в а т ы х п о р о д ( с м . гл. 3) п р и в о д и т к р е з к о м у п о д ъ е м у
уровня грунтовых вод, в отдельных случаях д о 10—15 м и более.
В периоды отсутствия а т м о с ф е р н о г о п и т а н и я в связи с н а л и ч и е м
близко р а с п о л о ж е н н ы х участков разгрузки происходит достаточно
быстрое с н и ж е н и е уровня грунтовых вод. Резкие к о л е б а н и я уров­
ня обусловливают соответствующие и з м е н е н и я д е б и т о в и с т о ч н и ­
ков вплоть д о п о л н о г о и с ч е з н о в е н и я м н о г о ч и с л е н н ы х д е п р е с с и о н н ы х в ы х о д о в при з н а ч и т е л ь н о м с н и ж е н и и у р о в н я грунтовых
вод (рис. 9.4).
О с н о в н ы е и з м е н е н и я х и м и ч е с к о г о состава и температуры т р е ­
щ и н н ы х вод также с в я з а н ы главным образом с п е р и о д а м и ф о р ­
мирования интенсивного атмосферного питания: поступление
х и м и ч е с к и х к о м п о н е н т о в ( N 0 , N O " , С Г и др.) с п о в е р х н о с т и
или из п о ч в е н н о г о с л о я , к о т о р о е м о ж е т б ы т ь о с о б е н н о з н а ч и ­
тельным в условиях антропогенного загрязнения, фильтрация
з н а ч и т е л ь н ы х о б ъ е м о в х о л о д н ы х вод в п е р и о д в е с е н н е г о с н е г о ­
т а я н и я и др.
В периоды отсутствия питания при постепенном с н и ж е н и и
уровня грунтовых вод х и м и ч е с к и й состав, м и н е р а л и з а ц и я и т е м ­
пература т р е щ и н н ы х вод я в л я ю т с я , к а к п р а в и л о , о т н о с и т е л ь н о
с т а б и л ь н ы м и . На у ч а с т к а х , где п о р о д ы в е р х н е й т р е щ и н о в а т о й
зоны перекрыты р ы х л ы м и о т л о ж е н и я м и з н а ч и т е л ь н о й м о щ н о с т и
(2- и 3-й т и п ы разреза), эти о т л о ж е н и я в связи с их в ы с о к и м и
значениями гравитационной емкости оказывают существенное
2
Рис. 9.4. Характер изменения дебита источника и температуры грунтовых вод
зоны экзогенной трещиноватости (терригенные породы кембрийского возраста,
Ср. Урал): / — дебит источника; 2 — температура грунтовых вод; 3 — распреде­
ление атмосферных осадков
http://geoschool.web.ru
Глава 9. П о д з е м н ы е воды в т р е щ и н о в а т ы х и з а к а р с т о в а н н ы х п о р о д а х
http://geoschool.web.ru
209
210
Часть II. Ф о р м и р о в а н и е р а з л и ч н ы х т и п о в п о д з е м н ы х вод
регулирующее влияние, сглаживая резкие колебания уровней и
температур, характерные для участков поверхностного распростра­
н е н и я т р е щ и н о в а т ы х пород. О с о б е н н о з а м е т н о это п р о я в л я е т с я
на участках р а с п р о с т р а н е н и я с л а б о п р о н и ц а е м ы х рыхлых о б р а з о ­
в а н и й , где и н ф и л ь т р а ц и о н н о е п и т а н и е грунтовых т р е щ и н н ы х вод
осуществляется со з н а ч и т е л ь н о м е н ь ш и м и с к о р о с т я м и .
Использование грунтовых вод зоны экзогенной трещиноватости
с в я з а н о главным образом с о р г а н и з а ц и е й и н д и в и д у а л ь н о г о ( к а п ­
таж р о д н и к о в , колодцы) и мелкого централизованного ( о д и н о ч н ы е
с к в а ж и н ы ) в о д о с н а б ж е н и я , поскольку в условиях верхней з о н ы ,
как п р а в и л о , не ф о р м и р у ю т с я з н а ч и т е л ь н ы е з а п а с ы пресных п о д ­
з е м н ы х вод. И с к л ю ч е н и е с о с т а в л я ю т участки, где верхняя зона
скальных пород образует е д и н ы й водоносный горизонт с залегаю­
щ и м и выше рыхлыми п р е и м у щ е с т в е н н о песчаными о т л о ж е н и я м и
значительной мощности (речные долины, озерные котловины и др.).
Трещинно-жильные
воды зон тектонических
нарушений. З о н ы
тектонических нарушений при определенных условиях характери­
зуются значительно более и н т е н с и в н о й т р е щ и н о в а т о с т ь ю в с р а в ­
нении с горными породами массива. Однако трещинная скважность
и п р о н и ц а е м о с т ь горных пород, так же как м о щ н о с т ь ( ш и р и н а )
т р е щ и н о в а т ы х зон и глубины, до которых о н и с о х р а н я ю т о т н о с и ­
тельно повышенную трещинную проницаемость, резко изменя­
ются в з а в и с и м о с т и от т и п а и возраста н а р у ш е н и я , т и п а горных
пород и других ф а к т о р о в .
В б о л ь ш и н с т в е случаев породы в зонах н а р у ш е н и й х а р а к т е р и ­
зуются о т н о с и т е л ь н о в ы с о к о й п р о н и ц а е м о с т ь ю главным образом
в верхней части р а з р е з а в пределах з о н ы р а з в и т и я э к з о г е н н о й
т р е щ и н о в а т о с т и и н е с к о л ь к о глубже (до 150—200 м, в отдельных
случаях до 500 м и более), п о с к о л ь к у в пределах з о н ы н а р у ш е н и я
( т е к т о н и ч е с к о й р а з д р о б л е н н о с т и горных пород) п р о ц е с с ы вывет­
р и в а н и я р а с п р о с т р а н я ю т с я на о т н о с и т е л ь н о б о л ь ш у ю глубину.
Воздействие п р о ц е с с о в в ы в е т р и в а н и я усугубляет т е к т о н и ч е с к у ю
трешиноватость, приводит к расширению трещин, растворению и
выносу м и н е р а л ь н о г о з а п о л н и т е л я , определяя тем с а м ы м о т н о с и ­
тельно более в ы с о к и е з н а ч е н и я т р е щ и н н о й с к в а ж н о с т и и п р о н и ­
цаемости горных пород в зоне тектонического нарушения и м е н н о
в верхней части разреза.
Наряду с этим материалы глубокого бурения и к о с в е н н ы е д а н ­
ные свидетельствуют о т о м , что в ряде случаев о т н о с и т е л ь н о п о ­
в ы ш е н н а я т р е щ и н н а я с к в а ж н о с т ь и п р о н и ц а е м о с т ь горных пород
в зонах т е к т о н и ч е с к и х н а р у ш е н и й с о х р а н я е т с я д о з н а ч и т е л ь н ы х
глубин. Так, Кольская сверхглубокая с к в а ж и н а вскрыла несколько
относительно (в сравнении с массивом) проницаемых и обводнен-
http://geoschool.web.ru
Глава 9. П о д з е м н ы е воды в т р е щ и н о в а т ы х и з а к а р с т о в а н н ы х породах
211
ных зон тектонических нарушений в интервале глубин 9—И тыс. м
(см. гл. 12). Г и д р о г е о х и м и ч е с к и е и гидрогеотермические д а н н ы е
свидетельствуют о т о м , что глубины ц и р к у л я ц и и п о д з е м н ы х вод
по зонам т е к т о н и ч е с к и х н а р у ш е н и й достигают 4,0—5,0 км и б о ­
лее. П р е д п о л о ж и т е л ь н о в отдельных случаях эти глубины могут
достигать нескольких десятков километров (Зайцев, 1986). О д н а к о
весьма часто, даже в верхней части разреза, породы в зонах текто­
нических нарушений не характеризуются относительно п о в ы ш е н ­
ной п р о н и ц а е м о с т ь ю в с р а в н е н и и с п о р о д а м и з о н ы э к з о г е н н о й
трещиноватости.
Т р е щ и н н о - ж и л ь н ы е подземные воды по условиям залегания не
формируют единого водоносного горизонта, а образуют л о к а л ь н ы е
(линейно-локальные) субвертикальные потоки подземных вод,
о г р а н и ч е н н ы е с о б с т в е н н о з о н о й т е к т о н и ч е с к о г о н а р у ш е н и я . Гид­
равлическая связь таких п о т о к о в между собой может п р а к т и ч е с к и
отсутствовать или осуществляться д о с т а т о ч н о с л о ж н о при пересе­
ч е н и и з о н т е к т о н и ч е с к и х н а р у ш е н и й , н а л и ч и и г л у б и н н ы х зон
трещиноватости и др. Расходы п о т о к о в , н а п р а в л е н и я и с к о р о с т и
ф и л ь т р а ц и и , глубины ц и р к у л я ц и и п о д з е м н ы х вод могут б ы т ь р а з ­
личными.
О д н а к о , как б ы л о указано в ы ш е , о с н о в н о й объем т р е щ и н н о ж и л ь н ы х вод ф о р м и р у е т с я о б ы ч н о в верхней части разреза (до
глубин 300—500 м, реже более). На в ы с о к и х элементах рельефа
(области п и т а н и я ) воды, как п р а в и л о , грунтовые с о т м е т к а м и п о ­
верхности, соответствующими уровню водоносного горизонта зоны
экзогенной т р е щ и н о в а т о с т и . В глубоких частях разреза воды на­
порные, на п о н и ж е н н ы х участках нередко с а м о и з л и в а ю щ и е с я .
Питание т р е щ и н н о - ж и л ь н ы х вод формируется за счет и н ф и л ь т ­
рации атмосферных осадков (локально) и за счет притока грунтовых
вод из в о д о н о с н о г о горизонта зоны э к з о г е н н о й т р е щ и н о в а т о с т и .
Характерным также является н а л и ч и е участков и н т е н с и в н о г о с о ­
средоточенного п и т а н и я за счет п о г л о щ е н и я п о в е р х н о с т н ы х вод.
Наиболее и н т е н с и в н о е п о г л о щ е н и е п о в е р х н о с т н ы х вод ф о р м и р у ­
ется в тех с л у ч а я х , когда в ы с о к о п р о н и ц а е м а я з о н а н а р у ш е н и я
(верхняя часть разреза) с о е д и н я е т о т н о с и т е л ь н о б л и з к о р а с п о л о ­
ж е н н ы е п о в е р х н о с т н ы е водотоки с с у щ е с т в е н н о р а з л и ч н ы м и от­
метками уровня п о в е р х н о с т н ы х вод. П р и этом наиболее частыми
являются " в н у т р и б а с с е й н о в ы е " п е р е р а с п р е д е л е н и я стока: от вер­
ховьев г и д р о г р а ф и ч е с к о й сети к более глубоко в р е з а н н ы м участ­
кам дрен. В районах с р е з к о р а с ч л е н е н н ы м рельефом в о з м о ж н ы
также м е ж б а с с е й н о в ы е п е р е р а с п р е д е л е н и я стока, с в я з а н н ы е с н е ­
совпадением поверхностных и подземных водоразделов, "пере­
хватом" п р и т о к о в соседнего р е ч н о г о бассейна и др.
http://geoschool.web.ru
212
Часть II. Ф о р м и р о в а н и е р а з л и ч н ы х т и п о в п о д з е м н ы х вод
С з о н а м и тектонических н а р у ш е н и й , и м е ю щ и м и глубокое (де­
сятки километров) заложение, могут быть с в я з а н ы не только меж­
бассейновые, но и межструктурные перераспределения подземных
вод, а т а к ж е п о с т у п л е н и е ( п р и т о к к п о в е р х н о с т и ) г л у б и н н ы х
ф л ю и д о в , о б р а з о в а н и е к о т о р ы х с в я з ы в а ю т с п р о ц е с с а м и мета­
м о р ф и з м а горных пород и с магматической д е я т е л ь н о с т ь ю .
Разгрузка т р е щ и н н о - ж и л ь н ы х вод осуществляется в виде р о д ­
н и к о в , субаквальных выходов н е п о с р е д с т в е н н о в русла р е к или в
а л л ю в и а л ь н ы е , о з е р н ы е и другие о т л о ж е н и я на участках, где э р о ­
зионные понижения в рельефе вскрывают зоны тектонических
н а р у ш е н и й . Часто н а б л ю д а ю т с я г р у п п о в ы е выходы и с т о ч н и к о в ,
л и н е й н ы е выходы, о г р а н и ч е н н ы е з о н о й н а р у ш е н и я (см. рис. 5.5),
в о с х о д я щ и е и с т о ч н и к и , с в я з а н н ы е с разгрузкой н а п о р н ы х т р е ­
щ и н н о - ж и л ь н ы х вод. Д е б и т ы р о д н и к о в и с у м м а р н ы е расходы на
у ч а с т к а х с к р ы т о й р а з г р у з к и в з а в и с и м о с т и от п р о н и ц а е м о с т и
пород, мощности и характера обводненности зоны нарушения
и з м е н я ю т с я в ш и р о к и х пределах — от л и т р о в в I с (наиболее р а с ­
п р о с т р а н е н н ы е з н а ч е н и я ) д о сотен л и т р о в и кубометров в I с на
у ч а с т к а х р а з г р у з к и к р у п н ы х п о т о к о в т р е щ и н н о - ж и л ь н ы х вод.
Часто при п е р е с е ч е н и и о б в о д н е н н о й з о н ы н а р у ш е н и я д р е н о й от­
к р ы т ы е выходы ( и с т о ч н и к и ) с о с т а в л я ю т т о л ь к о н е з н а ч и т е л ь н у ю
часть (Ю—20%) от с у м м а р н о г о расхода п о т о к а , а о с н о в н а я р а з ­
грузка п р о и с х о д и т с к р ы т о : н е п о с р е д с т в е н н о в русло или в рых­
лые отложения.
При гидрогеологических съемках и м а р ш р у т н ы х и с с л е д о в а н и ­
ях к а р т и р о в а н и е о б в о д н е н н ы х з о н т е к т о н и ч е с к и х н а р у ш е н и й
чаще всего с в я з а н о с в ы я в л е н и е м участков разгрузки т р е щ и н н о ж и л ь н ы х вод. О т н о с и т е л ь н о реже ф и к с и р у ю т с я участки сосредото­
ченного п о г л о щ е н и я поверхностных вод, как правило, в верховьях
г и д р о г р а ф и ч е с к о й сети. С разгрузкой т р е щ и н н о - ж и л ь н ы х вод из
верхней части гидрогеологического разреза о б ы ч н о с в я з а н о ф о р ­
мирование крупнодебитных (до Ю л / с и более) источников, груп­
повых выходов со з н а ч и т е л ь н ы м и с у м м а р н ы м и расходами пресных
п о д з е м н ы х вод, л о к а л ь н ы х участков к р у п н о й русловой разгрузки
и др. Участки разгрузки т р е щ и н н о - ж и л ь н ы х вод глубинной цирку­
л я ц и е й , расходы которой могут быть о т н о с и т е л ь н о н е б о л ь ш и м и ,
чаще проявляются в изменениях минерализации, химического
состава и т е м п е р а т у р ы п о д з е м н ы х вод, не х а р а к т е р н ы х для вод
зоны экзогенной трещиноватости. Выходы в ы с о к о м и н е р а л и з о ­
ванных, т е р м а л ь н ы х и других вод в т р е щ и н о в а т ы х породах п р а к ­
т и ч е с к и всегда я в л я ю т с я показателем разгрузки глубоких т р е щ и н ­
н о - ж и л ь н ы х вод. О д н а к о их отсутствие е щ е не свидетельствует об
отсутствии такой разгрузки, поскольку м и н е р а л и з а ц и я и темпера-
http://geoschool.web.ru
Глава 9. П о д з е м н ы е воды в т р е щ и н о в а т ы х и з а к а р с т о в а н н ы х породах
213
тура глубоких вод могут существенно изменяться в связи со с м е ­
шением их с м о щ н ы м и потоками т р е щ и н н о - ж и л ь н ы х вод верхней
зоны. В этом случае показателем наличия разгрузки глубоких тре­
щ и н н о - ж и л ь н ы х вод могут являться даже н е з н а ч и т е л ь н ы е и з м е ­
н е н и я х и м и ч е с к о г о состава п о д з е м н ы х вод, не х а р а к т е р н ы е д л я
верхней з о н ы р а й о н а : н а л и ч и е в п о д з е м н ы х и л и п о в е р х н о с т н ы х
водах даже о т н о с и т е л ь н о н е в ы с о к и х с о д е р ж а н и й с п е ц и ф и ч е с к и х
м и к р о к о м п о н е н т о в (В, Br, F, I и др.) или газов глубинного п р о ­
исхождения ( H S , Н е , С 0 и др.).
Химический
состав и минерализация
т р е щ и н н о - ж и л ь н ы х вод
определяются главным образом г л у б и н а м и , на которых ф о р м и р у ­
ются их п о т о к и . В верхней части разреза (до глубин 500—800 м, в
отдельных случаях глубже) воды п р е и м у щ е с т в е н н о пресные гидро­
карбонатные кальциевые (кальциево-натриевые и др.). Состав вод
п р и м е р н о соответствует составу грунтовых вод з о н ы э к з о г е н н о й
т р е щ и н о в а т о с т и . м и н е р а л и з а ц и я может б ы т ь н е с к о л ь к о в ы ш е (до
300—500 м г / л и более) в связи с о т н о с и т е л ь н о более глубоким за­
л е г а н и е м . В н и з п о разрезу п р о и с х о д и т п о с т е п е н н о е у в е л и ч е н и е
м и н е р а л и з а ц и и т р е щ и н н о - ж и л ь н ы х вод д о 10—15 г/л на глубинах
1—3 км и д о 150—200 г/л и более на глубинах 4—5 км. Состав вод
хлоридный, преимущественно натриевый, натриево-кальциевый.
З а к о н о м е р н о с т и и з м е н е н и я м и н е р а л и з а ц и и и состава т р е щ и н н о ж и л ь н ы х вод с глубиной п р о я в л я ю т с я весьма н е о д н о з н а ч н о в з а ­
висимости от типа геологических структур, состава в о д о в м е щ а ю ­
щих пород, н а л и ч и я или отсутствия п р и т о к а глубинных вод, их
генезиса и др. ( З а й ц е в , 1986). В о б щ е м случае о н и з а в и с я т от глу­
бины ц и р к у л я ц и и подземных вод, наличия в зоне нарушения
л е г к о р а с т в о р и м ы х с о е д и н е н и й и их состава, и н т е н с и в н о с т и р а з ­
бавления п р е с н ы м и водами верхней з о н ы и др.
Температура т р е щ и н н о - ж и л ь н ы х вод, формирующихся в верхней
зоне, как правило, п р и м е р н о соответствует температуре грунтовых
вод з о н ы э к з о г е н н о й т р е щ и н о в а т о с т и , при глубине ц и р к у л я ц и и
до 500 м и более может несколько п р е в ы ш а т ь о б щ и й ф о н темпера­
тур грунтовых вод (на 10—15°С). Участки разгрузки глубоких тре­
щ и н н о - ж и л ь н ы х вод (в з а в и с и м о с т и от в е л и ч и н ы р а з б а в л е н и я )
могут характеризоваться р а з л и ч н ы м и т е м п е р а т у р а м и , в некоторых
случаях весьма в ы с о к и м и (до 80—90°С и более). М о ж н о считать,
что в верхней части гидрогеологического разреза все п р о я в л е н и я
т е р м а л ь н ы х вод, п а р о г и д р о т е р м ы , следы г и д р о т е р м а л ь н о й д е я ­
тельности всегда с в я з а н ы с с у б в е р т и к а л ь н ы м и в о с х о д я щ и м и п о ­
токами глубинных т р е щ и н н о - ж и л ь н ы х п о д з е м н ы х вод, за и с к л ю ­
ч е н и е м р а й о н о в с о в р е м е н н о й в у л к а н и ч е с к о й д е я т е л ь н о с т и , где
при о п р е д е л е н н ы х у с л о в и я х о т н о с и т е л ь н о в ы с о к и е т е м п е р а т у р ы
2
2
http://geoschool.web.ru
214
Часть II. Ф о р м и р о в а н и е р а з л и ч н ы х т и п о в п о д з е м н ы х вод
могут быть характерны и для п о д з е м н ы х вод неглубокого залега­
н и я (см. гл. 15).
Режим т р е щ и н н о - ж и л ь н ы х вод т а к ж е о п р е д е л я е т с я г л а в н ы м
образом глубиной их залегания. В верхней части разреза р е ж и м
этих вод п р и м е р н о а н а л о г и ч е н р е ж и м у грунтовых вод з о н ы э к з о ­
генной т р е щ и н о в а т о с т и . Резкие и з м е н е н и я д е б и т о в и с т о ч н и к о в и
т е м п е р а т у р ы х а р а к т е р н ы для п о т о к о в , ф о р м и р у ю щ и х с я в з о н а х
п о г л о щ е н и я п о в е р х н о с т н ы х вод при н а л и ч и и б л и з к о р а с п о л о ­
женных участков разгрузки. С увеличением глубины залегания
(до 500—800 м и более) р е ж и м т р е щ и н н о - ж и л ь н ы х вод с т а н о в и т ­
ся п р а к т и ч е с к и с т а б и л ь н ы м в с в я з и с отсутствием в о з д е й с т в и я
поверхностных р е ж и м о о б р а з у ю щ и х ф а к т о р о в . О д н а к о материалы
с п е ц и а л ь н ы х р е ж и м н ы х н а б л ю д е н и й свидетельствуют о т о м , что
для глубоко з а л е г а ю щ и х т р е щ и н н о - ж и л ь н ы х вод в ряде случаев
характерны д о с т а т о ч н о р е з к о в ы р а ж е н н ы е и з м е н е н и я д а в л е н и й ,
х и м и ч е с к о г о и г а з о в о г о с о с т а в а . Т а к и е и з м е н е н и я могут б ы т ь
с в я з а н ы с п р о я в л е н и е м геологических р е ж и м о о б р а з у ю щ и х ф а к т о ­
ров ( в о з н и к н о в е н и е и р е л а к с а ц и я т е к т о н и ч е с к и х н а п р я ж е н и й ,
з е м л е т р я с е н и я , в у л к а н и ч е с к а я д е я т е л ь н о с т ь ) . На этом о с н о в а н ы
м н о г о ч и с л е н н ы е п о п ы т к и и с п о л ь з о в а н и я р е ж и м а п о д з е м н ы х вод
при прогнозах землетрясений (Основы гидрогеологии, 1980; и др.).
Режим глубоких т р е щ и н н о - ж и л ь н ы х вод на участках их поверх­
ностной разгрузки п о м и м о возможного влияния геологических
ф а к т о р о в в р е ш а ю щ е й степени определяется характером гидрав­
л и ч е с к о й связи с грунтовыми водами верхней з о н ы . При отсут­
ствии заметной связи дебиты восходящих и с т о ч н и к о в ( м и н е р а л и ­
з а ц и я , температура и др.) могут о т н о с и т е л ь н о мало и з м е н я т ь с я во
времени. При наличии такой связи и з м е н е н и я во времени п р о п о р ­
ций с м е ш е н и я глубоких и приповерхностных вод могут обусловли­
вать достаточно резкие (в каждом к о н к р е т н о м случае различные)
изменения химического состава, минерализации, температуры
подземных вод и др.
В з а в и с и м о с т и от состава т р е щ и н н о - ж и л ь н ы е п о д з е м н ы е воды
могут использоваться в качестве п р е с н ы х питьевых, м и н е р а л ь н ы х
или т е р м а л ь н ы х (см. гл. 14, 15). Во м н о г и х р а й о н а х ( м а с с и в ы
кристаллических пород, складчатые области) часто е д и н с т в е н н ы м
п р о м ы ш л е н н ы м т и п о м м е с т о р о ж д е н и й пресных п о д з е м н ы х вод с
п р о и з в о д и т е л ь н о с т ь ю до 10 тыс. м / с у т и более я в л я ю т с я месторожления, связанные с интенсивно обводненными зонами текто­
нических нарушений (Н.И. Плотников). Выявление и изучение
о б в о д н е н н ы х зон т е к т о н и ч е с к и х н а р у ш е н и й я в л я ю т с я о д н о й из
в а ж н е й ш и х задач гидрогеологических и с с л е д о в а н и й при разведке
и разработке многих т и п о в м е с т о р о ж д е н и й твердых п о л е з н ы х и с 3
http://geoschool.web.ru
Глава 9. П о д з е м н ы е воды в т р е щ и н о в а т ы х и з а к а р с т о в а н н ы х п о р о д а х
215
копаемых, поскольку вскрытие горными выработками тектони­
ческих н а р у ш е н и й с м о щ н ы м и п о т о к а м и т р е щ и н н о - ж и л ь н ы х вод
н е и з б е ж н о п р и в о д и т к ф о р м и р о в а н и ю з н а ч и т е л ь н ы х (в ряде слу­
чаев к а т а с т р о ф и ч е с к и х ) в о д о п р и т о к о в .
Пластово-трещинные
п о д з е м н ы е воды с в я з а н ы со с л о и с т ы м и
т о л щ а м и с и л ь н о л и т и ф и ц и р о в а н н ы х или ч а с т и ч н о м е т а м о р ф и з о ванных о с а д о ч н ы х пород. В этом случае наряду с чисто т р е щ и н ­
ной с к в а ж н о с т ь ю ф и л ь т р а ц и о н н ы е свойства горных пород ( п р о ­
н и ц а е м о с т ь , емкость) в той или иной мере всегда определяются
наличием ( ч а с т и ч н ы м с о х р а н е н и е м ) п е р в и ч н о й с е д и м е н т о г е н н о й
пористости. В связи с этим воды такого т и п а о б ы ч н о р а с с м а т р и ­
ваются как п о р о в о - т р е ш и н н ы е .
Р а с п р о с т р а н е н и е п л а с т о в о - т р е щ и н н ы х п о д з е м н ы х вод н а и б о ­
лее характерно для н и ж н и х частей разреза осадочных о т л о ж е н и й
артезианских б а с с е й н о в п л а т ф о р м е н н о г о типа и для а д а р т е з и а н ских б а с с е й н о в ( с м . гл. 10, 11). Ф и л ь т р а ц и о н н ы е и е м к о с т н ы е
свойства порово-трещинных сред (если не учитывать степень сохра­
нения седиментогенного порового пространства) определяются
литогснетической т р е щ и н о в а т о с т ь ю , с в я з а н н о й с п р о ц е с с а м и у п ­
л о т н е н и я и ц е м е н т а ц и и о с а д о ч н ы х пород, а также н а л и ч и е м зон
тектонических н а р у ш е н и й и соскладчатой трещиноватости, н а и б о ­
лее и н т е н с и в н о ф о р м и р у ю щ е й с я в сводовых частях и на крутых
крыльях п о л о ж и т е л ь н ы х структур разных п о р я д к о в .
В отличие от п о р о в о й с к в а ж н о с т и и л и т о г е н е т и ч е с к о й т р е щ и ­
новатости т р е щ и н н а я с к в а ж н о с т ь , с в я з а н н а я с з о н а м и т е к т о н и ­
ческих н а р у ш е н и й и п о л о ж и т е л ь н ы м и структурами, проявляется
локально, формируя резко в ы р а ж е н н у ю плановую неоднородность
т р е щ и н н ы х сред э т о г о т и п а . Н е о б х о д и м о т а к ж е о т м е т и т ь , что
формирование приразломной и соскладчатой трещиноватости
определяет значительное увеличение п р о н и ц а е м о с т и и с л а б о п р о ­
н и ц а е м ы х осадочных пород ( а р г и л л и т о п о д о б н ы е г л и н ы , г и п с - а н ­
гидритовые т о л щ и и д р . ) , что имеет о п р е д е л я ю щ е е значение для
условий межпластового взаимодействия подземных вод.
Ф о р м и р о в а н и е п и т а н и я и разгрузки п л а с т о в о - т р е щ и н н ы х вод,
х и м и ч е с к и й состав и м и н е р а л и з а ц и я о п р е д е л я ю т с я главным о б ­
разом у с л о в и я м и (глубинами) их залегания (см. гл. 8).
9.2. Трещинно-карстовые воды
К а р с т о в ы м и , или т р е щ и н н о - к а р с т о в ы м и , н а з ы в а ю т с я с в о б о д ­
ные ( г р а в и т а ц и о н н ы е ) п о д з е м н ы е в о д ы , с в я з а н н ы е с г о р н ы м и
п о р о д а м и , с к в а ж н о с т ь которых наряду с т р е щ и н о в а т о с т ь ю (реже
пористостью) определяется н а л и ч и е м карстовых пустот, о б р а з у ю -
http://geoschool.web.ru
216
Часть II. Ф о р м и р о в а н и е р а з л и ч н ы х т и п о в п о д з е м н ы х вод
глихся в результате р а с т в о р е н и я м и н е р а л ь н о г о скелета горной п о ­
роды п о д з е м н ы м и в о д а м и ' . Ф о р м а и размеры п о д з е м н ы х к а р с т о ­
вых пустот могут б ы т ь р а з л и ч н ы м и : от м е л к и х пустот ( к а в е р н )
д и а м е т р о м 2—3 мм и р а с ш и р е н н ы х участков т р е щ и н до п е щ е р и
к р у п н ы х п о д з е м н ы х гротов. П р и п е р е с л а и в а н и и з а к а р с т о в а н н ы х
пород с п о р о д а м и другого состава воды, з а к л ю ч е н н ы е в них, н а ­
зываются пластовыми (правильнее — межпластовыми) трещинно-карстовыми.
Ф о р м и р о в а н и е подземных карстовых пустот и их распределение
в разрезе м а с с и в а г о р н ы х п о р о д о п р е д е л я ю т с я ( С о к о л о в , 1962;
М а к с и м о в и ч , 1963; и др.) н а л и ч и е м : I) " р а с т в о р и м ы х " г о р н ы х
пород; 2) путей д в и ж е н и я п о д з е м н ы х вод ( " ф и л ь т р у ю щ е г о " п р о ­
странства) в м и н е р а л ь н о м скелете горной породы; 3) ф и л ь т р а ц и е й
п о д з е м н ы х вод, " н е д о н а с ы щ е н н ы х " по о т н о ш е н и ю к р а с т в о р и ­
мому м и н е р а л ь н о м у с о е д и н е н и ю .
Собственно растворимыми (карстующимися) горными породами
являются карбонатные породы (известняки, в меньшей степени
доломиты, мергели), сульфатные (гипс, ангидрит) и хлоридные
(гатит, с и л ь в и н ) . Р а с т в о р и м о с т ь этих пород и з м е н я е т с я в з а в и с и ­
мости от типа пород (см. гл. 4), достигая максимума (350—400 г/л)
у солей, которые чрезвычайно редко (только в условиях резко арид­
ного климата) встречаются в п о в е р х н о с т н о м залегании ( с о л я н о й
п о в е р х н о с т н ы й карст). О д н а к о р а с т в о р и м о с т ь пород о д н о г о т и п а
( к а р б о н а т н ы х или с у л ь ф а т н ы х ) т а к ж е з н а ч и т е л ь н о и з м е н я е т с я в
з а в и с и м о с т и от их м и н е р а л о г о - х и м и ч е с к о г о состава, н а л и ч и я и
р а с п р е д е л е н и я н е р а с т в о р и м о г о м а т е р и а л а , структуры м и н е р а л ь ­
ного скелета и др. Н а и б о л е е л е г к о растворяются х и м и ч е с к и ч и с ­
тые м и н е р а л ь н ы е с о е д и н е н и я С а С 0 и C a S 0 , не с о д е р ж а щ и е
н е р а с т в о р и м о г о материала. В то же время н а л и ч и е в породе н е к о ­
торых м и н е р а л ь н ы х п р и м е с е й в н е к о т о р ы х случаях з н а ч и т е л ь н о
увеличивает ее р а с т в о р и м о с т ь и т.п.
" П е р в и ч н о е " ф и л ь т р у ю щ е е пространство в м и н е р а л ь н о м скеле­
те карстующихся пород может быть представлено т р е щ и н а м и или
п о р а м и (см. гл. 3). Н а и б о л е е часто п р о ц е с с п о д з е м н о г о к а р с т о о б р а з о в а н и я развивается по системам т р е щ и н р а з л и ч н о г о генезиса
(экзогенная, тектоническая, литогенетическая трещиноватость
3
1
4
Растворение минерального скелета породы при процессах карстообразования практически никогда не бывает полным, поэтому чаще используется термин
"выщелачивание" (см. гл. 4), под которым понимается частичное (избиратель­
ное) растворение и вынос минерального вещества горных пород. В ряде случаев
при больших скоростях движения подземных вод в процессе формирования кар­
стовых пустот происходит также механическое разрушение и вынос минеральных
частиц породы.
http://geoschool.web.ru
Глава 9. П о д з е м н ы е воды в т р е щ и н о в а т ы х и з а к а р с т о в а н н ы х п о р о д а х
217
и др.). В то же время н е к о т о р ы е т и п ы к а р с т у ю щ и х с я пород ха­
р а к т е р и з у ю т с я в ы с о к и м и (до 0,20—0,25) з н а ч е н и я м и п е р в и ч н о й
о с а д о ч н о й ( о р г а н о г е н н ы е , о о л и т о в ы е и з в е с т н я к и и др.) или э п и ­
генетической п о р и с т о с т и .
К а к б ы л о с к а з а н о в ы ш е , п р а к т и ч е с к и во всех случаях процесс
п о д з е м н о г о к а р с т о о б р а з о в а н и я развивается у н а с л е д о в а н о , у с и л и ­
вая (усугубляя) уже и м е ю щ у ю с я т р е щ и н н у ю или п о р о в у ю с к в а ж ­
ность минерального скелета породы. В связи с э т и м , как правило,
н а и б о л ь ш и м и з н а ч е н и я м и с к в а ж н о с т и ( п р о н и ц а е м о с т ь , гравита­
ц и о н н а я е м к о с т ь ) х а р а к т е р и з у ю т с я участки, д л я к о т о р ы х и п р и
отсутствии к а р с т о п р о я в л е н и й были бы характерны о т н о с и т е л ь н о
п о в ы ш е н н ы е з н а ч е н и я т р е щ и н н о й или п о р о в о й пустотное™.
Д л я таких в целом м а л о р а с т в о р и м ы х п р и р о д н ы х с о е д и н е н и й ,
как С а С 0 и C a S 0 , предел н а с ы щ е н и я ( п р о и з в е д е н и е р а с т в о р и ­
м о с т и , с м . гл. 4) д о с т и г а е т с я б ы с т р о , к а к п р а в и л о , уже в з о н е
а э р а ц и и или в верхней части з о н ы н а с ы щ е н и я . В связи с э т и м
процессы карстообразования (подземные ф о р м ы карста) наиболее
и н т е н с и в н о п р о т е к а ю т на участках, х а р а к т е р и з у ю щ и х с я о т н о с и ­
тельно более в ы с о к и м и з н а ч е н и я м и скоростей и расходов подзем­
ных потоков, и, как правило, достаточно резко затухают с увеличе­
нием глубины залегания. Наряду с этим о п р е д е л е н н ы е и з м е н е н и я
х и м и ч е с к о г о с о с т а в а п о д з е м н ы х вод ( у в е л и ч е н и е с о д е р ж а н и я
С 0 , ионов СГ, M g
и д р . ) , у в е л и ч е н и е их т е м п е р а т у р ы , с м е ш е ­
ние с водами и н о г о состава и другие ф а к т о р ы п р и в о д я т к увели­
ч е н и ю п р о и з в е д е н и я р а с т в о р и м о с т и С а С 0 и C a S 0 ( П . Р . Таубе,
А. Г. Б а р а н о в а ) и о б у с л о в л и в а ю т развитие п р о ц е с с о в карстообра­
з о в а н и я и в более глубоких частях массива (до глубин 200—250 м
и, как и с к л ю ч е н и е , д о 600—800 м и более). В то ж е время и в
глубоких частях разреза (до 3000—4000 м и более) буровые с к в а ж и ­
ны вскрывают в ряде случаев и н т е н с и в н о закарстованные горные
п о р о д ы . Н а л и ч и е их о б ъ я с н я е т с я развитием палеокарста или п р о ­
цессами г л у б и н н о г о в ы щ е л а ч и в а н и я горных п о р о д в ы с о к о а г р е с ­
с и в н ы м и р а с т в о р а м и , т е р м а л ь н ы м и водами и др. ( Е . М . М и н с к и й ,
И . К . З а й ц е в и др.).
Сочетание названных выше п р и ч и н обусловливает резко н е р а в ­
н о м е р н у ю закарстованность горных пород в плане и разрезе. П р о ­
ницаемость таких пород в верхней части разреза может меняться
на к о р о т к и х р а с с т о я н и я х п р а к т и ч е с к и от 0 д о 500—800 м/сут и
более. П р и этом расчеты средних з н а ч е н и й п р о н и ц а е м о с т и даже
для о т н о с и т е л ь н о о г р а н и ч е н н ы х участков массива часто я в л я ю т с я
н е д о с т о в е р н ы м и , т а к к а к в двух р я д о м р а с п о л о ж е н н ы х с к в а ж и н а х
или в с о с е д н и х и н т е р в а л а х о д н о й с к в а ж и н ы п р о н и ц а е м о с т ь з а ­
к а р с т о в а н н ы х пород м о ж е т и з м е н я т ь с я в пределах двух-трех п о 3
4
2 +
2
3
http://geoschool.web.ru
4
218
Часть II. Ф о р м и р о в а н и е р а з л и ч н ы х т и п о в п о д з е м н ы х вод
рядков. Г р а в и т а ц и о н н а я е м к о с т ь з а к а р с т о в а н н ы х п о р о д и з м е н я ­
ется наиболее часто от I д о 10% и более, для п о р о в о - к а в е р н о в о г о
подтипа карстовых сред — д о 20—25% (см. гл. 3). С т о л ь резкая
неоднородность распределения фильтрационных и емкостных
свойств о б ъ я с н я е т с я тем, что о б ы ч н о в массиве (толще) карстующихся горных пород наряду с о т н о с и т е л ь н о слабой р е г и о н а л ь н о й
з а к а р с т о в а н н о с т ь ю могут б ы т ь в ы д е л е н ы т а к н а з ы в а е м ы е з о н ы
локального интенсивного карста ( С о к о л о в , 1962). Т а к и е з о н ы могут
быть с в я з а н ы с бортами и д н и щ а м и с о в р е м е н н ы х (или п о г р е б е н ­
ных) речных д о л и н , з о н а м и т е к т о н и ч е с к и х н а р у ш е н и й , о с е в ы м и
частями крутых с к л а д о к , к о н т а к т а м и карстуюшихся и н е к а р с т у ю шихся пород и др.
При неглубоком залегании карстуюшихся пород зоны локальной интенсив­
ной закарстованности нередко проявляются широким развитием поверхностных
форм карста: воронки, карстовые провалы и др. Так. на склонах междуречных
пространств и на поверхности речных террас Западно-Уральской зоны складча­
тости, Онсго-Двинского междуречья и других карстовых районов интенсивно закарстованные зоны тектонических нарушений и контактов нередко "трассируют­
ся" линейным расположением карстовых воронок и провалов. В других случаях
положение зон локальной интенсивной закарстованности может быть установле­
но по материалам бурения или по наличию крупных карстовых водопроявлений
(см. ниже).
Условия залегания т р е щ и н н о - к а р с т о в ы х вод определяются ха­
рактером закарстованности массива и режимом уровней грунтовых
вод. В связи со з н а ч и т е л ь н ы м и к о л е б а н и я м и у р о в н я грунтовых
карстовых вод в в е р т и к а л ь н о м разрезе массива о б ы ч н о в ы д е л я ю т
(Г.А. М а к с и м о в и ч , Д . С . С о к о л о в и др.) н е с к о л ь к о х а р а к т е р н ы х
г и д р о д и н а м и ч е с к и х зон (рис. 9.5).
Рис. 9.5. Схема вертикальной зональности карстового массива (по Д.С. Соколову,
1962): I — закарстованные горные породы. 2 — уровень грунтовых (трещиннокарстовых) вод, .? — номера гидродинамических зон, 4 — родники
http://geoschool.web.ru
Глава 9. П о д з е м н ы е воды в т р е щ и н о в а т ы х и з а к а р с т о в а н н ы х породах
219
Зона а э р а ц и и (I), выделяемая от поверхности земли д о н а и б о ­
лее в ы с о к о г о ( м а к с и м а л ь н о г о ) п о л о ж е н и я уровня грунтовых вод,
характеризуется н а л и ч и е м г и д р а в л и ч е с к и р а з о б щ е н н ы х п о т о к о в
т р е ш и н н о - к а р с т о в ы х вод, с в я з а н н ы х с с и с т е м а м и т р е щ и н или з о ­
нами з а к а р с т о в а н н о с т и . П о д о б н ы е п о т о к и и м е ю т с е з о н н ы й ха­
рактер и формируются или в периоды интенсивного атмосферного
п и т а н и я , или в периоды с у щ е с т в о в а н и я п е р и о д и ч е с к о г о речного
стока при п и т а н и и грунтовых вод за счет его п о г л о щ е н и я . З о н а
п о с т о я н н о г о н а с ы щ е н и я (III) выделяется в н и ж н е й части массива
по п о л о ж е н и ю наиболее н и з к о г о ( м и н и м а л ь н о г о ) уровня грунто­
вых карстовых вод (рис. 9.5). В пределах этой зоны ф о р м и р у е т с я
единый гидравлически с в я з а н н ы й горизонт грунтовых т р е щ и н н о карстовых вод, д в и ж е н и е которых также осуществляется по с и с ­
темам т р е щ и н и зон з а к а р с т о в а н н о с т и , но в соответствии с о б ­
щим р а с п р е д е л е н и е м н а п о р о в п о д з е м н ы х вод. З о н а п е р е м е н н о г о
н а с ы щ е н и я (зона п е р е м е н н о г о г и д р о д и н а м и ч е с к о г о р е ж и м а , по
Г.А. М а к с и м о в и ч у , II), выделяется по п о л о ж е н и ю м а к с и м а л ь н о г о
и м и н и м а л ь н о г о уровня грунтовых вод массива. В з а в и с и м о с т и от
п о л о ж е н и я у р о в н я о н а х а р а к т е р и з у е т с я или у с л о в и я м и з о н ы
а э р а ц и и , или зоны п о л н о г о н а с ы щ е н и я (см. р и с . 9.6). З о н а так
называемого регионального стока трешинно-карстовых вод (IV), не
дренируемая местной речной сетью, может существовать главным
образом в слоистых т о л щ а х при н а л и ч и и в разрезе в ы д е р ж а н н ы х
слабопроницаемых пластов. Наличие этой зоны в едином массиве
закарстованных пород в большинстве случаев может быть связано
с различной глубиной дренирующего воздействия крупной речной
д о л и н ы и ее мелких п р и т о к о в .
Питание т р е щ и н н о - к а р с т о в ы х вод осуществляется за счет и н ­
ф и л ь т р а ц и и ( и н ф л ю а ц и и ) а т м о с ф е р н ы х осадков и за счет погло­
щения поверхностных вод. Ф о р м и р о в а н и е и распределение вели­
чин а т м о с ф е р н о г о п и т а н и я грунтовых т р е щ и н н о - к а р с т о в ы х вод, в
еще б о л ь ш е й с т е п е н и , чем грунтовых вод зоны э к з о г е н н о й т р е ­
щ и н о в а т о с т и . о п р е д е л я ю т с я т и п о м с т р о е н и я верхней части гид­
рогеологического разреза (см. рис. 9.2).
Наиболее благоприятные условия формирования быстрого
( и н ф л ю а ц и о н н о г о ) п и т а н и я х а р а к т е р н ы для участков о т к р ы т о г о
поверхностного р а с п р о с т р а н е н и я и н т е н с и в н о з а к а р с т о в а н н ы х п о ­
род (I тип разреза, см. рис. 9.2). В пределах таких участков б о л ь ­
шая часть (до 60—70% и более) а т м о с ф е р н ы х о с а д к о в , за вычетом
и с п а р е н и я , р а с х о д у ю т с я на ф о р м и р о в а н и е и н ф и л ь т р а ц и о н н о г о
питания т р е щ и н н о - к а р с т о в ы х вод ( с и л у р и й с к о е плато, К р ы м с к а я
яйла и др.). Практически столь же благоприятны условия питания
http://geoschool.web.ru
220
Часть II. Ф о р м и р о в а н и е р а з л и ч н ы х т и п о в п о д з е м н ы х вод
на участках, где з а к а р с т о в а н н ы е породы п е р е к р ы т ы т о л ь к о песча­
н ы м и , п е с ч а н о - г р а в и й н ы м и и другими в ы с о к о п р о н и ц а е м ы м и от­
л о ж е н и я м и (II тип разреза з о н ы а э р а ц и и ) . О д н а к о расходы на и с ­
парение, а также формирование поверхностного (склонового)
стока в п е р и о д ы в ы п а д е н и я л е т н и х л и в н е в ы х осадков здесь могут
б ы т ь о т н о с и т е л ь н о б о л ь ш и м и (табл. 9.2). Н а и м е н е е б л а г о п р и я т ­
ные условия и н и з к и е з н а ч е н и я и н ф и л ь т р а ц и о н н о г о п и т а н и я ха­
р а к т е р н ы д л я у ч а с т к о в , где з а к а р с т о в а н н ы е п о р о д ы п е р е к р ы т ы
значительными по мощности слабопроницаемыми отложениями
(III т и п ) .
Таблица 9.2
Распределение величин питания т р е щ и н н о - к а р с т о в ы х вод
с е в е р н о й части Онего-Двинского междуречья (бассейн р. Ваймуга)
Тип строения верхней части
разреза (в скобках — тип
разреза зоны аэрации)
Среднемноголетние ве­
личины инфильтрацион­
ного питания W, мм/год
Коэффициент
инфильтрации
А^, % от осадков
Участки с мощностью рыхлых
отложений менее 5 м (1)
100-150
20-30
Участки поверхностною распро­
странения песчаных флювиогляциальных отложений верхнечет­
вертичного возраста (II)
100-300
20-50
Участки с распространением
верхнечетвертичных валунных
суглинков (III)
15-30
2-5
Участки с распространением
верхнечетвертичных морских
глинистых отложений (III)
3-10
0,5-1,5
Поглощение поверхностных вод, характерное прежде всего и м е н ­
но д л я м а с с и в о в з а к а р с т о в а н н ы х п о р о д , о п р е д е л я е т с я в ц е л о м
высокой п р о н и ц а е м о с т ь ю этих пород н е п о с р е д с т в е н н о в верхней
части разреза и н а л и ч и е м участков с о т н о с и т е л ь н о глубоким зале­
ганием уровня грунтовых т р е щ и н н о - к а р с т о в ы х вод. В н а п р а в л е ­
н и и от ц е н т р а л ь н ы х частей междуречных пространств к м е с т н ы м
э р о з и о н н ы м врезам о б ы ч н о может быть в ы д е л е н о н е с к о л ь к о ха­
рактерных зон с р а з л и ч н ы м и у с л о в и я м и в з а и м о д е й с т в и я поверх­
н о с т н ы х и т р е щ и н н о - к а р с т о в ы х вод ( р и с . 9.6). В ц е н т р а л ь н о й
части междуречного пространства верховья гидрографической сети
" п о д в е ш е н ы " по о т н о ш е н и ю к у р о в н ю грунтовых вод. К а к б ы л о
сказано выше, ф о р м и р о в а н и е руслового поверхностного стока
в о з м о ж н о в этом случае только при наличии относительно слабо-
http://geoschool.web.ru
Глава 9. П о д з е м н ы е воды в т р е щ и н о в а т ы х и з а к а р с т о в а н н ы х породах
221
п р о н и ц а е м ы х о т л о ж е н и й (делювиальных, а л л ю в и а л ь н о - п р о л ю в и альных, ледниковых и др.), перекрывающих поверхность закар­
с т о в а н н ы х пород. В с в я з и с э т и м здесь образуется междуречная
зона п о г л о щ е н и я п о в е р х н о с т н ы х вод (I), для которой х а р а к т е р н о
н а л и ч и е верховых с у х о д о л о в , " с л е п ы х " у ч а с т к о в русел, п е р и о ­
дически существующих поверхностных водотоков, замкнутых бес­
сточных п о н и ж е н и й и др. П о г л о щ е н и е поверхностных вод п р о и с ­
ходит рассредоточен но в пределах всего междуречья или л о к а л ь н о
с б о л ь ш и м и расходами при п е р е с е ч е н и и п о н и ж е н и й (русел) с з о ­
нами и н т е н с и в н о й з а к а р с т о в а н н о с т и горных пород.
На с к л о н а х междуречного массива в связи с у в е л и ч е н и е м глу­
бин э р о з и о н н о г о вреза местная г и д р о г р а ф и ч е с к а я сеть вскрывает
уровень грунтовых т р е щ и н н о - к а р с т о в ы х вод (рис. 9.6). Ф о р м и р у ­
ется з о н а ч а с т и ч н о й разгрузки грунтовых вод (II), п о с к о л ь к у при
в ы с о к о й с т е п е н и з а к а р с т о в а н н о с т и м а с с и в а часть п о т о к а м о ж е т
быть н а п р а в л е н а к более глубокой ( о с н о в н о й ) д р е н е (см. в ы ш е ) .
5ф
Зона частичной
разгрузки
трещиннокарстовых вод
Междуречная зона
поглощения
поверхностных вод
о ?
•уТТТ
т
Рис. 9.6. Схема взаимодействия поверхностных и трещинно-карстовых вод (раз­
рез по руслу притока основной дрены):
/ — закарстованные породы, 2 — рыхлые четвертичные отложения, 3 — уро­
вень трещинно-карстовых вод, 4 — участки поглощения поверхностных вод,
5 — направление движения трещинно-карстовых вод, 6 — потоки трещиннокарстовых вод в зонах локальной интенсивной закарстованности
Разгрузка п о д з е м н ы х вод ф о р м и р у е т с я р а с с р е д о т о ч е н н о в виде
м е л к и х и с т о ч н и к о в и с к р ы т о ч е р е з р у с л о в ы е о т л о ж е н и я или в
виде к р у п н о д е б и т н ы х и с т о ч н и к о в и с у б а к в а л ь н ы х в ы х о д о в при
н а л и ч и и и н т е н с и в н о з а к а р с т о в а н н ы х зон.
http://geoschool.web.ru
222
Часть II. Ф о р м и р о в а н и е р а з л и ч н ы х т и п о в п о д з е м н ы х вод
В н и ж н е й части с к л о н а р у с л о в о й п о т о к п о в е р х н о с т н ы х вод,
с ф о р м и р о в а в ш и й с я в зоне ч а с т и ч н о й разгрузки, выходит в д о л и ­
ну о с н о в н о й (более к р у п н о й ) д р е н ы , в пределах которой горные
породы могут характеризоваться в ы с о к о й с т е п е н ь ю з а к а р с т о в а н ­
ности. При н а л и ч и и о п р е д е л е н н о й разности уровней поверхност­
ных вод п р и т о к а и о с н о в н о й д р е н ы ф о р м и р у е т с я зона вторичного
п о г л о щ е н и я (III), с к о т о р о й могут б ы т ь с в я з а н ы з н а ч и т е л ь н ы е
потери руслового стока или даже ф о р м и р о в а н и е суходолов в
н и ж н и х частях д о л и н п р и т о к о в о с н о в н о й д р е н ы . О с н о в н а я зона
разгрузки п о д з е м н ы х вод с в я з а н а с к р у п н о й д р е н о й (IV). П р и
этом при н а л и ч и и в зоне вторичного п о г л о щ е н и я з н а ч и т е л ь н ы х
п о т е р ь р у с л о в о г о с т о к а н е п о с р е д с т в е н н о в б л и з и устья п р и т о к а
часто ф и к с и р у ю т с я к р у п н о д е б и т н ы е и с т о ч н и к и или с о с р е д о т о ­
ч е н н ы е субаквальные выходы п о д з е м н ы х вод. Все случаи в з а и м о ­
действия п о в е р х н о с т н ы х и т р е щ и н н о - к а р с т о в ы х вод, естественно,
не и с ч е р п ы в а ю т с я этой о б щ е й схемой. При глубоком залегании
уровня т р е щ и н н о - к а р с т о в ы х вод п р а к т и ч е с к и весь м а с с и в может
являться зоной п о г л о щ е н и я , а з о н о й разгрузки п о д з е м н ы х вод —
д о л и н а о с н о в н о й д р е н ы (см. рис. 9.6). Ч р е з в ы ч а й н о р а с п р о с т р а ­
н е н н ы м и я в л я ю т с я случаи в н у т р и б а с с е й н о в о г о п е р е р а с п р е д е л е ­
ния стока, когда зоны и н т е н с и в н о й закарстованности пересекают
речные д о л и н ы с р а з л и ч н ы м и о т м е т к а м и уровня п о в е р х н о с т н ы х
вод; н е с о в п а д е н и я п о в е р х н о с т н ы х и п о д з е м н ы х в о д о р а з д е л о в и
др. В р е ч н ы х д о л и н а х , з а л о ж е н н ы х в з а к а р с т о в а н н ы х п о р о д а х ,
о с о б е н н о при отсутствии или малой м о щ н о с т и рыхлых русловых
о т л о ж е н и й , участки п о г л о щ е н и я руслового стока могут быть связа­
ны с порогами, к р у п н ы м и перекатами, меандрами и др. (наличие
разности уровней поверхностных вод). И з м е н е н и я проницаемости
и емкости з а к а р с т о в а н н ы х пород н е п о с р е д с т в е н н о в прирусловой
части долины (наличие интенсивно и слабозакарстованных блоков,
выходы в русле н е к а р с т у ю щ и х с я горных пород и др.) в с о ч е т а н и и
с з о н а м и разгрузки п о д з е м н ы х вод, п о с т у п а ю щ и х с междуречья,
определяют многократное чередование участков поглощения и
разгрузки, величины которых нередко достигают сотен л и т р о в или
кубометров в 1 с на 1 км русла.
Д в и ж е н и е грунтовых т р е щ и н н о - к а р с т о в ы х вод в о б щ е м случае
н а п р а в л е н о от ц е н т р а л ь н о й части массива (междуречья) к д р е н и ­
р у ю щ и м п о н и ж е н и я м . О д н а к о структура п о т о к о в т р е щ и н н о - к а р ­
стовых вод может быть весьма с л о ж н о й в связи с н а л и ч и е м зон
л о к а л ь н о й и н т е н с и в н о й з а к а р с т о в а н н о с т и , б л о к о в или участков
с л а б о з а к а р с т о в а н н ы х пород, характером р а с п р е д е л е н и я карстовых
зон в разрезе и т.д. (рис. 9.7).
http://geoschool.web.ru
Глава 9. П о д з е м н ы е воды в т р е щ и н о в а т ы х и з а к а р с т о в а н н ы х породах
223
Рис. 9.7. Схема формирования потоков трешинно-карстовых подземных вод. бас­
сейн р. Цетина, Динарийский массив (по М. Коматине, 1975): 1 — потоки поверх­
ностных вод (русловый сток), 2 — потоки трешинно-карстовых вод, 3 — расходы,
м-'/с, 4 — участки локального интенсивного поглощения поверхностных вод
Разгрузка т р е щ и н н о - к а р с т о в ы х вод осуществляется в виде м н о ­
гочисленных р о д н и к о в , в том числе субаквальных, а также рассре­
д о т о ч е н и е через а л л ю в и а л ь н ы е , а л л ю в и а л ь н о - о з е р н ы е и другие
р ы х л ы е о т л о ж е н и я . И м е н н о д л я у ч а с т к о в разгрузки т р е щ и н н о к а р с т о в ы х вод х а р а к т е р н ы к р у п н ы е о д и н о ч н ы е или г р у п п о в ы е
выходы, дебиты которых могут достигать д е с я т к о в кубометров в
секунду. Так, м а к с и м а л ь н ы й расход известного карстового источ­
ника Воклюз ( Ф р а н ц и я ) в многоводные периоды достигает 152 м / е ,
3
http://geoschool.web.ru
Часть II. Ф о р м и р о в а н и е р а з л и ч н ы х т и п о в п о д з е м н ы х вод
224
3
п р и с р е д н е г о д о в ы х з н а ч е н и я х о к о л о 17 м / с ; д е б и т и с т о ч н и к а
К р а с н ы й К л ю ч ( У ф и м с к о е плато) с о с т а в л я е т 12—15 м / с в м е ­
ж е н ь и д о 50 м / с в периоды и н т е н с и в н о г о весеннего п и т а н и я .
Н е с м о т р я на н а л и ч и е м н о г о ч и с л е н н ы х , в ряде случаев доста­
точно крупных источников, родниковая разгрузка составляет
о б ы ч н о т о л ь к о часть (менее 50%) с у м м а р н о г о расхода, так к а к о с ­
новная часть разгрузки т р е щ и н н о - к а р с т о в ы х вод часто происходит
н и ж е уреза д р е н ( П о д з е м н ы й сток..., 1964). И м е ю щ и е с я д а н н ы е
свидетельствуют о т о м , что в этом случае д е б и т ы с у б а к в а л ь н ы х
к а р с т о в ы х и с т о ч н и к о в могут д о с т и г а т ь д е с я т к о в к у б о м е т р о в в
секунду.
К р у п н ы е источники (более 10 л / с ) , групповые выходы, сосредо­
точенная русловая разгрузка т р е щ и н н о - к а р с т о в ы х вод с б о л ь ш и м и
с у м м а р н ы м и расходами п р а к т и ч е с к и всегда я в л я ю т с я показателем
н а л и ч и я л о к а л ь н ы х з о н и н т е н с и в н о з а к а р с т о в а н н ы х горных п о ­
род, р а з м е р ы к о т о р ы х , п о л о ж е н и е в р а з р е з е , п р о н и ц а е м о с т ь и
другие показатели могут б ы т ь р а з л и ч н ы м и .
При гидрогеологических исследованиях в карстовых районах
к а р т и р о в а н и е к р у п н о д е б и т н ы х участков разгрузки т р е щ и н н о - к а р ­
стовых вод дает представление о п о л о ж е н и и места выхода з а к а р с т о в а н н о й з о н ы (потока п о д з е м н ы х вод) на поверхность. И н о г д а
т а к и е участки разгрузки могут б ы т ь с в я з а н ы с б л и з к о р а с п о л о ­
ж е н н ы м и з о н а м и и н т е н с и в н о г о п о г л о щ е н и я п о в е р х н о с т н ы х вод,
видимыми тектоническими нарушениями и др. Однако чаше
н а п р а в л е н и е з о н ы л о к а л ь н о й и н т е н с и в н о й з а к а р с т о в а н н о с т и и ее
п о л о ж е н и е в пространстве могут б ы т ь в ы я в л е н ы т о л ь к о при п р о ­
ведении с п е ц и а л ь н ы х и с с л е д о в а н и й (бурение, г е о ф и з и ч е с к и е м е ­
т о д ы , запуски трассеров и др.).
Химический состав и минерализация
грунтовых и неглубоко з а ­
л е г а ю щ и х н а п о р н ы х т р е щ и н н о - к а р с т о в ы х вод п р а к т и ч е с к и всегда
о п р е д е л я ю т с я составом к а р с т у ю ш и х с я горных пород (один из о с ­
н о в н ы х п р и з н а к о в а з о н а л ь н о е ™ карстовых вод, см. гл. 7). К а р б о ­
н а т н ы е горные породы д о глубин 150—200 м, в отдельных случа­
ях д о 500—800 м, в и н т е н с и в н о р а с ч л е н е н н ы х горных р а й о н а х д о
1000—1500 м ( З а й ц е в , 1986) содержат г и д р о к а р б о н а т н ы е к а л ь ц и е в о - м а г н и е в ы е воды с м и н е р а л и з а ц и е й менее 1,0 г/л. С у л ь ф а т н ы е
(гипс, ангидрит) или к а р б о н а т н ы е з а г и п с о в а н н ы е п о р о д ы н е п о с ­
р е д с т в е н н о в верхней зоне содержат с у л ь ф а т н ы е к а л ь ц и е в ы е воды
с м и н е р а л и з а ц и е й д о 1,5—3,0 г/л. Во многих р а й о н а х поверхност­
ного р а с п р о с т р а н е н и я г и п с - а н г и д р и т о в ы х т о л ш даже в условиях
избыточного у в л а ж н е н и я (Среднее Приуралье, Т и м а н о - П е ч о р с к а я
плита, О н е г о - Д в и н с к о е междуречье и др.) п р а к т и ч е с к и отсутству­
ет верхняя з о н а п р е с н ы х г и д р о к а р б о н а т н ы х вод, не считая м а л о 3
3
http://geoschool.web.ru
Глава 9. П о д з е м н ы е воды в т р е щ и н о в а т ы х и з а к а р с т о в а н н ы х п о р о д а х
225
мощных водоносных горизонтов в рыхлых четвертичных отло­
ж е н и я х ( б о л о т н ы е , о з е р н о - л е д н и к о в ы е и другие о т л о ж е н и я вне
участков разгрузки п о д з е м н ы х вод к о р е н н ы х п о р о д ) . Д а ж е п р и
о т н о с и т е л ь н о неглубоком залегании к а р с т у ю щ и х с я с о л я н ы х т о л щ
с н и м и всегда с в я з а н ы в ы с о к о м и н е р а л и з о в а н н ы е воды и рассолы
(до 100—150 г/л и более) хлоридного натриевого, н а т р и е в о - к а л и е ­
вого состава. Воды иного состава (отличного от типа карстующих­
ся пород) в верхней части разреза могут б ы т ь с в я з а н ы главным
образом с п р о ц е с с а м и и с п а р е н и я и к о н т и н е н т а л ь н о г о з а с о л е н и я ,
с участками разгрузки более глубоких м и н е р а л и з о в а н н ы х вод и
о с о б е н н о часто с п р о ц е с с а м и а н т р о п о г е н н о г о з а г р я з н е н и я грун­
товых вод (см. гл. 14).
В глубоких частях разреза (1500—2000 м и более) в связи с на­
личием (сохранением) легкорастворимых хлоридных соедине­
н и й , с е д и м е н т о г е н н ы х п о р о в ы х растворов и р я д о м других п р и ч и н
карстующиеся горные породы обычно содержат высокоминера­
л и з о в а н н ы е п о д з е м н ы е воды и рассолы (до 100—300 г/л и более)
х л о р и д н о г о н а т р и е в о г о , н а т р и е в о - к а л ь ц и е в о г о с о с т а в а , часто с
п о в ы ш е н н ы м и с о д е р ж а н и я м и 1, Вг, В, H S , С О , , Не и др. О с о ­
б е н н о в ы с о к а я к о н ц е н т р а ц и я рассолов (до 400—500 г/л и более)
может быть характерна для разрезов, с л о ж е н н ы х м о щ н ы м и т о л щ а ­
ми ( п о т е н ц и а л ь н о к а р с т у ю щ и х с я ) г а л о г е н н ы х п о р о д ( П и н н е к е р ,
1966; З а й ц е в , 1986).
2
Гидродинамический
режим т р е щ и н н о - к а р с т о в ы х вод в з а в и с и ­
мости от характера з а к а р с т о в а н н о с т и массива, условий залегания
подземных вод, физико-географических условий и других факторов
может быть р а з л и ч н ы м . В центральных относительно п о в ы ш е н н ы х
участках м а с с и в а п р и з а л е г а н и и н е п о с р е д с т в е н н о с поверхности
с и л ь н о з а к а р с т о в а н н ы х пород (1 т и п разреза) и н а л и ч и и зон л о ­
кального п о г л о щ е н и я п о в е р х н о с т н ы х вод и других участков и н ­
т е н с и в н о г о п и т а н и я а м п л и т у д ы к о л е б а н и я у р о в н я грунтовых вод
могут достигать 15—20 м, в отдельных случаях 50—60 м и более
(рис. 9.8). В с в я з и с в ы с о к о й п р о н и ц а е м о с т ь ю с р е д ы б ы с т р ы е
подъемы уровня в п е р и о д ы и н т е н с и в н о г о п и т а н и я после его п р е ­
к р а щ е н и я с м е н я ю т с я столь же р е з к и м и с п а д а м и у р о в н я .
На о т н о с и т е л ь н о п о н и ж е н н ы х р а в н и н н ы х участках т е р р и т о ­
рии п р и з н а ч и т е л ь н о й м о щ н о с т и п е р е к р ы в а ю щ и х рыхлых о т л о ­
ж е н и й (II и III т и п ы разреза з о н ы а э р а ц и и ) к о л е б а н и я у р о в н я
грунтовых т р е щ и н н о - к а р с т о в ы х вод в связи с регулирующей е м ­
костью рыхлых о т л о ж е н и й могут б ы т ь о т н о с и т е л ь н о н е б о л ь ш и м и
(до 1—3 м реже более). Естественно, что в зависимости от местных
условий (характер закарстованности, интенсивность питания,
приток со с т о р о н ы и др.) п р о м е ж у т о ч н ы х случаев р е ж и м а у р о в ­
ней карстовых вод может б ы т ь д о с т а т о ч н о много.
http://geoschool.web.ru
226
Часть II. Ф о р м и р о в а н и е р а з л и ч н ы х т и п о в п о д з е м н ы х вод
Рис. 9.8. Характер изменения уровней трещинно-карстовых вод в бассейне
р. Цетина (по М. Коматине, 1975): 1 — буровые скважины, цифры — номер
скважины и абсолютная отметка устья, м, 2 — положение уровня трещиннокарстовых вод на 15.09.58, 3 — то же на 15.04.58, 4 — величина удельного водопоглощения (1 мм = 1 л/мин • м при избыточном давлении 10 атм (К) кПа))
3
Характер и з м е н е н и я д е б и т о в карстовых в о д о п р о я в л е н и й т а к ж е
может б ы т ь с у щ е с т в е н н о р а з л и ч н ы м (рис. 9.9). Н а и б о л е е р е з к и е
и значительные по амплитудам изменения дебитов характерны,
как п р а в и л о , д л я р о д н и к о в , с в я з а н н ы х с з о н о й а э р а ц и и , з о н о й
п е р е м е н н о г о н а с ы щ е н и я (см. р и с . 9.5) и л и с б л и з к о р а с п о л о ж е н ­
н ы м и у ч а с т к а м и и н т е н с и в н о г о п о г л о щ е н и я п о в е р х н о с т н ы х вод
(см. р и с . 9.9, / ) . П р и с в я з и и с т о ч н и к а с з о н о й п о с т о я н н о г о н а с ы ­
щ е н и я (III) и з м е н е н и я его д е б и т а о п р е д е л я ю т с я к о л е б а н и я м и
уровня карстовых вод ( и з м е н е н и е м градиентов п о т о к а н а д а н н о м
участке массива) и, к а к правило, происходят со значительно м е н ь -
http://geoschool.web.ru
Глава 9. П о д з е м н ы е в о д ы в т р е щ и н о в а т ы х и з а к а р с т о в а н н ы х п о р о д а х
227
ш и м и а м п л и т у д а м и ( с м . р и с . 9.9, 2, 3). Е с т е с т в е н н о , ч т о и в э т о м
случае п р о м е ж у т о ч н ы х т и п о в р е ж и м а д е б и т о в м о ж е т б ы т ь д о с т а ­
точно много.
211
106
10.V
13.VII
133
166
968
1969
Рис. 9.9. Характер изменения дебитов родников (1—5) из палеозойских карбонат­
ных отложений бассейна среднего течения р. Чусовой (Ср. Урал). В числителе —
дебит (л/с) источника 667 (1) в периоды максимальных значений, в знаменателе —
дата наблюдения
http://geoschool.web.ru
Часть II. Ф о р м и р о в а н и е р а з л и ч н ы х т и п о в п о д з е м н ы х вод
228
И з м е н е н и я х и м и ч е с к о г о состава, м и н е р а л и з а ц и и и температу­
ры т р е щ и н н о - к а р с т о в ы х вод в целом с в я з а н ы с р е ж и м о м уровней
и д е б и т о в и с т о ч н и к о в . Н а и б о л е е з а м е т н ы е и з м е н е н и я и в этом
случае х а р а к т е р н ы , к а к п р а в и л о , д л я участков л о к а л ь н о г о и н т е н ­
с и в н о г о п и т а н и я к а р с т о в ы х вод и о п р е д е л я ю т с я т е м п е р а т у р о й
и н ф и л ь т р у ю щ и х с я вод, н а л и ч и е м и составом з а г р я з н е н и я поверх­
ности з е м л и , т е м п е р а т у р о й и х и м и ч е с к и м с о с т а в о м р е ч н ы х вод
при их и н т е н с и в н о м п о г л о щ е н и и и д р . В глубоких частях м а с с и ­
ва (зона п о с т о я н н о г о н а с ы щ е н и я ) и тем более в пластовых усло­
виях при глубинах залегания д о 250—300 м и более для т р е щ и н ­
н о - к а р с т о в ы х вод о б ы ч н о н е х а р а к т е р н ы з а м е т н ы е и з м е н е н и я
т е м п е р а т у р ы , м и н е р а л и з а ц и и и х и м и ч е с к о г о состава.
В о з м о ж н о с т и и с п о л ь з о в а н и я т р е щ и н н о - к а р с т о в ы х вод о п р е д е ­
л я ю т с я главным образом их х и м и ч е с к и м составом и п р о н и ц а е м о ­
стью горных пород. В верхних частях м а с с и в о в к а р б о н а т н ы х п о ­
род, а т а к ж е в п л а с т о в ы х у с л о в и я х п р и глубинах з а л е г а н и я д о
150—200 м (реже более) п р и н а л и ч и и и н т е н с и в н о з а к а р с т о в а н н ы х
зон и участков в о з м о ж н о ф о р м и р о в а н и е к р у п н ы х м е с т о р о ж д е н и й
п р е с н ы х п о д з е м н ы х вод п р о м ы ш л е н н о г о т и п а с п р о и з в о д и т е л ь ­
ностью д о 100—300 т ы с . м / с у т и более. В глубоких частях гидро­
геологического разреза с закарстованными породами нередко
с в я з а н ы м е с т о р о ж д е н и я м и н е р а л ь н ы х , п р о м ы ш л е н н ы х , реже тер­
м а л ь н ы х т р е щ и н н о - к а р с т о в ы х вод ( с м . гл. 14, 15). П р и ч е м и в
этом случае н а л и ч и е з а к а р с т о в а н н ы х з о н определяет н е р е д к о з н а ­
ч и т е л ь н ы е д е б и т ы естественных в о д о п р о я в л е н и й ( м и н е р а л ь н ы е и
т е р м а л ь н ы е и с т о ч н и к и ) или д о с т а т о ч н о в ы с о к у ю п р о и з в о д и т е л ь ­
ность с к в а ж и н даже п р и о т н о с и т е л ь н о б о л ь ш и х глубинах залега­
н и я э к с п л у а т и р у е м ы х интервалов разреза.
С з а к а р с т о в а н н ы м и п о р о д а м и р а з л и ч н о г о возраста могут быть
с в я з а н ы м е с т о р о ж д е н и я п о л е з н ы х и с к о п а е м ы х ( б о к с и т ы , золото
и др.). К а к п р а в и л о , в верхней части разреза д л я м е с т о р о ж д е н и й
этого т и п а х а р а к т е р н а ч р е з в ы ч а й н о с л о ж н а я г и д р о д и н а м и ч е с к а я
о б с т а н о в к а и в о з м о ж н о с т ь ф о р м и р о в а н и я з н а ч и т е л ь н ы х (до 5—10
тыс. м / ч и более) п р и т о к о в в г о р н ы е в ы р а б о т к и . П р и этом п р о ­
гноз в о д о п р и т о к о в на стадии разведки и даже э к с п л у а т а ц и и мес­
т о р о ж д е н и й является весьма с л о ж н ы м в связи с р е з к о й ф и л ь т р а ­
ционной неоднородностью закарстованных пород, различными
у с л о в и я м и их связи с п о в е р х н о с т н ы м и в о д а м и , р е з к и м и и з м е н е ­
н и я м и расходов во в р е м е н и и д р .
3
3
http://geoschool.web.ru
Глава 9. П о д з е м н ы е воды в т р е щ и н о в а т ы х и з а к а р с т о в а н н ы х породах
229
Вопросы к главе 9
1. Характерные типы трещинных подземных вод.
2. Условия залегания и формирования
грунтовых вод зоны экзо­
генной
трещиноватости.
3. Трещинно-жильные
воды зон тектонических
нарушений.
4. Причины формирования фильтрационной
неоднородности
кар­
стующихся горных пород.
5. Гидродинамическая
зональность карстового
массива.
6. Особенности формирования
питания и разгрузки
трещиннокарстовых вод.
7. Взаимодействие
трещинно-карстовых
вод с
поверхностными
водами.
8. Гидродинамический
и гидрохимический
режим
трещинно-кар­
стовых вод.
http://geoschool.web.ru
основы
РЕГИОНАЛЬНОЙ
ГИДРОГЕОЛОГИИ
Р е г и о н а л ь н а я гидрогеология является разделом г и д р о г е о л о г и ­
ческой науки, изучающим закономерности распространения и
ф о р м и р о в а н и я , а т а к ж е п р о б л е м ы и с п о л ь з о в а н и я п о д з е м н ы х вод
в пределах к о н к р е т н ы х т е р р и т о р и й , в ы д е л е н н ы х в соответствии с
о п р е д е л е н н ы м п р и н ц и п о м ( к о н т и н е н т ы , г е о л о г и ч е с к и е структу­
ры, административные единицы и др.). Основой региональной
гидрогеологии является представление о гидрогеологическом
районе
(регионе), под к о т о р ы м следует п о н и м а т ь элемент подземной гид­
росферы (трехмерное п р о с т р а н с т в о ) , ограниченный
естественными
гидрогеологическими
границами разного типа, с едиными
условиями
формирования подземных вод.
В данном случае понятие "район" (регион) используется как обобщенное на­
звание таксономических единиц районирования безотносительно их ранга (Пин­
некер, 1983). При гидрогеологическом районировании в зависимости от его со­
держания и масштаба работ обычно используется ряд таксономических единиц:
"участок", "район", "область", "провинция" и т.д. (от мелких — к более крупным).
П о своему целевому н а з н а ч е н и ю гидрогеологическое р а й о н и ­
рование подразделяется на общее, при котором п р о и з в о д и т с я в ы ­
д е л е н и е е с т е с т в е н н о - и с т о р и ч е с к и х гидрогеологических р а й о н о в и
специальное ( с п е ц и а л и з и р о в а н н о е ) , о р и е н т и р о в а н н о е на р е ш е н и е
о п р е д е л е н н о г о круга главным образом п р и к л а д н ы х задач ( Н и к и ­
т и н , 1969).
В н а с т о я щ е е время о с н о в н ы м п р и н ц и п о м о б щ е г о гидрогеоло­
гического районирования крупных территорий является
струк­
турно-гидрогеологический
принцип, разработанный советскими
гидрогеологами М . М . Васильевским (1937), И . К . З а й ц е в ы м (1945),
И.К. З а й ц е в ы м , Н . И . Т о л с т и х и н ы м (1963, 1971), Г.Н. К а м е н с к и м
(1957), A . M . О в ч и н н и к о в ы м (1952), Е.В. П и н н е к е р о м (1966) и др.
В соответствии с этим п р и н ц и п о м в качестве гидрогеологического
р а й о н а рассматривается (выделяется) о п р е д е л е н н ы й
структурногеологический
элемент земной коры ( н е с к о л ь к о с т р у к т у р н ы х э л е -
http://geoschool.web.ru
Глава 10. А р т е з и а н с к и е б а с с е й н ы п л а т ф о р м е н н о г о т и п а
231
м е н т о в ) , а в качестве г р а н и ц г и д р о г е о л о г и ч е с к и х р а й о н о в р а с ­
сматриваются р а з л и ч н ы е т и п ы структурно-тектонических
границ.
Н е с м о т р я на н е к о т о р ы е р а з л и ч и я ( И . К . З а й ц е в , Г.Н. К а м е н ­
с к и й , Б . И . Куделин, Н.А. М а р и н о в , Н . И . Т о л с т и х и н и др.) п р и
использовании принципа структурно-гидрогеологического райо­
н и р о в а н и я , всегда о б о с н о в ы в а е т с я н е о б х о д и м о с т ь в ы д е л е н и я трех
основных типов структурно-гидрогеологических районов I поряд­
ка ( К а м е н с к и й , 1957): I) артезианских
бассейнов
платформенного
типа ( с и н е к л и з ы , к р а е в ы е п р о г и б ы и др.) или артезианских
обла­
стей, в ы д е л я е м ы х в г р а н и ц а х к р у п н ы х с т р у к т у р н ы х э л е м е н т о в
п л а т ф о р м — плит; 2) гидрогеологических
массивов,
представляю­
щих собой п о д н я т и я п л а т ф о р м е н н о г о т и п а с выходом на поверх­
ность д р е в н и х о б р а з о в а н и й к р и с т а л л и ч е с к о г о ф у н д а м е н т а ( щ и т ы ,
м а с с и в ы , к р я ж и ) ; 3) складчатых областей в н у т р и п л а т ф о р м е н н о г о
или г е о с и н к л и н а л ь н о г о т и п а (рис. 10.1).
При в ы д е л е н и и гидрогеологических р а й о н о в на о с н о в е струк­
турно-гидрогеологического принципа границы смежных районов
в г и д р о д и н а м и ч е с к о м о т н о ш е н и и ч а щ е всего я в л я ю т с я
условными,
п о с к о л ь к у через н и х в о з м о ж н о м е ж с т р у к т у р н о е в з а и м о д е й с т в и е
потоков п о д з е м н ы х вод с м е ж н ы х р а й о н о в (рис. 10.1). Т а к и м о б ­
разом, г и д р о г е о л о г и ч е с к и й р а й о н , в ы д е л е н н ы й в соответствии со
с т р у к т у р н ы м п р и н ц и п о м , п р а к т и ч е с к и н и к о г д а не м о ж е т р а с ­
сматриваться в качестве и з о л и р о в а н н о г о б а л а н с о в о - г и д р о д и н а м и ческого элемента п о д з е м н о й г и д р о с ф е р ы , что неудобно п р и п р о ­
ведении ряда г и д р о г е о л о г и ч е с к и х и с с л е д о в а н и й . В связи с э т и м
( Б . И . Куделин, Н.А. М а р и н о в , Б . К . Т е р л е ц к и й и др.) о б щ е е гид­
рогеологическое р а й о н и р о в а н и е часто проводится также на основе
использования " г и д р о л о г и ч е с к о г о " (правильнее — б а л а н с о в о - г и д родинамического) принципа с выделением потоков подземных
вод, б а с с е й н о в п о д з е м н о г о стока и г е о г и д р о д и н а м и ч е с к и х систем,
под к о т о р ы м и следует п о н и м а т ь гидравлически
обособленные
бас­
сейны стока с общим направлением
( н а п р а в л е н и я м и ) движения по­
верхностных и подземных вод, определяемым положением
основного
базиса дренирования.
Границами геогидродинамических систем
в этом случае я в л я ю т с я о с н о в н ы е ( к о н т и н е н т а л ь н ы е , р е г и о н а л ь ­
ные) водоразделы п о т о к о в п о д з е м н ы х вод и реже — д р е н ы .
При общем гидрогеологическом районировании главным об­
разом грунтовых и неглубоко з а л е г а ю щ и х п о д з е м н ы х вод других
т и п о в в качестве о с н о в н ы х к л а с с и ф и к а ц и о н н ы х п р и з н а к о в часто
используется т а к ж е к о м п л е к с ф и з и к о - г е о г р а ф и ч е с к и х п о к а з а т е ­
лей: климат территории (осадки, к о э ф ф и ц и е н т ы увлажнения,
температуры), рельеф и др. Наиболее полно различия ф и з и к о -
http://geoschool.web.ru
232
Часть III. О с н о в ы р е г и о н а л ь н о й г и д р о г е о л о г и и
http://geoschool.web.ru
Глава 10. А р т е з и а н с к и е б а с с е й н ы п л а т ф о р м е н н о г о т и п а
233
г е о г р а ф и ч е с к и х у с л о в и й у ч и т ы в а ю т с я п р и о б о с н о в а н и и схем ш и ­
р о т н о й з о н а л ь н о с т и г р у н т о в ы х вод (см. гл. 7). В ч а с т н о с т и , в с х е ­
ме з о н а л ь н о с т и O . K . Л а н г е в ы д е л и л т р и п р о в и н ц и и г р у н т о в ы х
вод: г у м и д н ы х о б л а с т е й , м н о г о л е т н е й м е р з л о т ы и а р и д н ы х о б л а с ­
тей ( с м . р и с . 7.9). С п е ц и ф и к а ф и з и к о - г е о г р а ф и ч е с к и х у с л о в и й
двух п о с л е д н и х п р о в и н ц и й — с н а л и ч и е м м н о г о л е т н е м е р з л ы х п о ­
род ( к р и о л и т о з о н ы ) и а р и д н ы х т е р р и т о р и й с р е з к о н е д о с т а т о ч н ы м
увлажнением — определяет существенные особенности условий
р а с п р о с т р а н е н и я п о д з е м н ы х вод, их р е г и о н а л ь н о й д и н а м и к и и
гидрогеохимии, в отличие от п р о в и н ц и и гумидных областей с
д о с т а т о ч н ы м и и з б ы т о ч н ы м у в л а ж н е н и е м , вне з о н ы р а с п р о с т р а ­
нения многолетнемерзлых пород.
Рис. 10.1. Схема гидрогеологического районирования территории России и ряда
сопредельных государств {Зайцев, 1986):
1 — артезианские бассейны (области) и их номера: 2 — гидрогеологические масси­
вы и складчатые области; 3 — крупные межгорные бассейны; 4 — границы гидро­
геологических областей; 5 — границы артезианских бассейнов. Артезианские облас­
ти: I — Печорская; II — Восточно-Европейская; III — Черноморско-Каспийская;
IV — Арало-Каспийская; V — Балхаш-Алакольская; VI — Западно-Сибирская;
VII — Восточно-Сибирская; VIII — Яно-Индигирская; IX — Пенжинско-Анадырская. Артезианские бассейны 1-го порядка: 1, — Печорский; I, — Предуральский;
II, — Прибалтийский; П — Московский; И, — Северодвинский; П — Пачелмский (Сурско-Хоперский); П — Белорусско-литовский (артезианский свод); II, —
Воронежский (артезианский свод); II (II' —П ) — Волго-Уральский; II (II' —
П ) — Донецко-Днепровско-Припятская система бассейнов; П — Брестский;
П — Волыно-Подольский; II,, — Предкарпатский; III, — Причерноморский;
III, — Азово-Кубанский; III, — Терско-Каспийский; IV, — Прикаспийский;
IV, — Устюртский; IV, — Среднеприкаспийский; IV — Туркменский (Амударьинский); IV — Сырдарьинский; 1V — Тургайский; 1V — Чу-Сарысуйский; IV —
Западно-Туркменский (Южно-Каспийский); V, — Южно-Балхашский; V , — Алакольский; VI, ( V I , — V l ' ) — Западно-Сибирский; V I , (VI ,—VI ,) — Прикарский;
VII, — Ангаро-Ленский; VII, — Якутский; V I I , — Тунгусский; VII — Оленекский; V I 1 — Котуйский; V I 1 — Хатангский; VIII, — Омолойский; VIII, — Ольджойский; VIII, — Нижнеиндигирский; V I Н — Олойский; V I I I , — Среднеколымский.
VIII — Алазейский; IX, — Пенжинский; IX, — Анадырский. Гидрогеологические
горно-складчатые области: 1 — Балтийская; 2 — Украинская; 3 — Восточно-Кар­
патская; 4 — Крымская; 5 — Кавказская (5а — Большекавказская; 56 — Малокав­
казская); 6 — Тиманская; 7 — Уральская; 8 — Мангышлакская; 9 — Туакырская;
10 — Копетдагская; 11 — Большебалханская; 12 — Центральнокызылкумская;
13 — Тянь-Шаньская; 13а — Памирская; 14 — Джунгаро-Балхашская; 15 — СевероКазахстанская; 16 — Чингиз-Тарбагатайская; 17 — Рудно-Алтайская; 18 — Алтае Саянская; 19 — Енисейская; 20 — Таймырская; 21 — Анабарская; 22 — Североземельская; 23 — Патомская; 24 — Байкальская; 25 — Алданская; 26 — Забайкальская;
27 — Даурская; 28 — Становая; 29 — А.муро-Буреинская; 30 — Сихотэ-Алиньская;
31 — Ханкайская; 32 — Сахалинская; 33 — Охотская; 34 — Верхояно-Колымская;
35 — Новосибирских островов; 36 — Приколымо-Омолонская; 37 — Чукотская; 38 —
Охотско-Чукотская; 39 — Корякская; 40 — Западно-Камчатская; 41 — ВосточноКамчатская; 42 — Курильская; 43 — Новоземельская
2
4
5
3
7
7
7
8
8
3
8
ч
|П
4
5
6
7
1
8
1
2
|2
4
5
6
4
6
http://geoschool.web.ru
234
Часть III. О с н о в ы р е г и о н а л ь н о й г и д р о г е о л о г и и
Глава
10
АРТЕЗИАНСКИЕ БАССЕЙНЫ
ПЛАТФОРМЕННОГО ТИПА
Понятие "артезианский бассейн" в классическом смысле явля­
ется о б щ е п р и н я т ы м в р о с с и й с к о й г и д р о г е о л о г и ч е с к о й литерату­
ре. Ж и в у ч е с т ь этого п о н я т и я о п р а в д а н н а , так как о н о определяет
с т р у к т у р н о - г е о л о г и ч е с к у ю природу объекта, условия залегания и
т и п ы п о д з е м н ы х вод, о с н о в н ы е ч е р т ы р е г и о н а л ь н о й д и н а м и к и
подземных вод в классическом представлении, а также общие зако­
н о м е р н о с т и и з м е н е н и я их х и м и ч е с к о г о состава и м и н е р а л и з а ц и и .
Исходя из геологической и гидрогеологической сущности объек­
та под артезианским бассейном следует п о н и м а т ь единую геогидроди­
намическую
систему (часть с и с т е м ы ) , пространственно
связанную
со структурно-тектоническим
элементом,
верхний этаж (этажи)
которого представлен толщами пологозалегающих
или
слабодислоцированных преимущественно
осадочных пород, содержащих
межплас­
товые подземные воды.
П о р я д о к а р т е з и а н с к и х б а с с е й н о в при их с о п о д ч и н е н и и о п р е ­
деляется порядком геогидродинамической системы и порядком
т е к т о н и ч е с к о й структуры. Т и п б а с с е й н а — т и п о м структуры, так
как и м е н н о тип т е к т о н и ч е с к о й структуры о п р е д е л я е т не т о л ь к о
размеры б а с с е й н а ( A . M . О в ч и н н и к о в ) , но и геологическое с т р о е ­
ние его разреза, что обусловливает с у щ е с т в е н н о р а з л и ч н ы е усло­
вия ф о р м и р о в а н и я а р т е з и а н с к и х вод в бассейнах р а з н о г о типа.
П о д а р т е з и а н с к и м и б а с с е й н а м и п л а т ф о р м е н н о г о т и п а следует
понимать бассейны, связанные с отрицательными структурами
платформ (плиты, синеклизы), предгорными прогибами и крае­
в ы м и с и н е к л и з а м и . В ы д е л е н и е в качестве е д и н о г о т и п а б а с с е й ­
нов, с в я з а н н ы х в д а н н о м случае со структурами р а з л и ч н о г о типа,
оправдано рядом о б щ и х з а к о н о м е р н о с т е й строения геологического
разреза, о п р е д е л я ю щ и х о с н о в н ы е условия залегания и р е г и о н а л ь ­
ную д и н а м и к у п о д з е м н ы х вод.
Структура и строение артезианских бассейнов. А р т е з и а н с к и е
бассейны являются основными структурно-гидрогеологическими
элементами континентальных платформ, занимая практически
все п л о щ а д и с п л о ш н о г о р а с п р о с т р а н е н и я о т л о ж е н и й о с а д о ч н о г о
чехла (см. рис. 10.1). На п е р и ф е р и и п л а т ф о р м , в области ф о р м и ­
р о в а н и я п е р и к р а т о н н ы х о п у с к а н и й , п л о щ а д и со с п л о ш н ы м рас­
п р о с т р а н е н и е м о т л о ж е н и й о с а д о ч н о г о чехла выходят за пределы
собственно платформы в область передовых прогибов смежной
геосинклинальной системы.
http://geoschool.web.ru
Глава 10. А р т е з и а н с к и е б а с с е й н ы п л а т ф о р м е н н о г о т и п а
235
Внутренний структурный план этих элементов определяется п о ­
ложением и развитием более мелких ф о р м , к которым в пределах
древних п л а т ф о р м могут б ы т ь о т н е с е н ы с в о д ы , валы (мегавалы),
л о к а л ь н ы е п о д н я т и я , купола, а также р а з д е л я ю щ и е их д е п р е с с и и
( в п а д и н ы , п р о г и б ы и др.).
П р и гидрогеологическом изучении п л а т ф о р м е н н ы х территорий
о т л о ж е н и я о с а д о ч н о г о чехла р а с с м а т р и в а ю т с я к а к с о в о к у п н о с т ь
г е о ф и л ь т р а ц и о н н ы х сред с геологически
упорядоченной
слоистой
неоднородностью.
В е р т и к а л ь н а я слоистая (пластовая) н е о д н о р о д ­
ность по масштабу и характеру ее п р о я в л е н и я является о с н о в н ы м
(наиболее о б щ и м ) с в о й с т в о м разреза о с а д о ч н о г о чехла. П р и р о д а
этой неоднородности генетически обусловлена историей ф о р м и р о ­
вания горных п о р о д о с а д о ч н о г о чехла; о н а имеет р е г и о н а л ь н ы й
характер, сохраняясь на площади в сотни тысяч и м и л л и о н ы квад­
ратных к и л о м е т р о в , в области н а и б о л е е о б ш и р н ы х структурных
элементов к о н т и н е н т а л ь н ы х п л а т ф о р м — плит.
П р о я в л е н и я с л о и с т о й н е о д н о р о д н о с т и характерны д л я л ю б о г о
участка распространения: отложений осадочного чехла — и практи­
чески всегда могут рассматриваться как геологически
упорядоченные
( с т р а т и г р а ф и ч е с к а я или л и т о л о г о - ф а ц и а л ь н а я у п о р я д о ч е н н о с т ь ) .
М а с ш т а б н е о д н о р о д н о с т и , т.е. пределы и з м е н е н и я ф и л ь т р а ц и о н ­
ных свойств в в е р т и к а л ь н о м разрезе (для с м е ж н ы х слоев), может
достигать н е с к о л ь к и х п о р я д к о в ( Ю — Ю ~ м/сут). Участки и з о н ы
с р е з к и м и н а р у ш е н и я м и с л о и с т о й н е о д н о р о д н о с т и п о р о д чехла
(линейная или блоковая неоднородность), в пределах всего разреза
или его к р у п н о г о элемента, могут быть с в я з а н ы главным образом
только с определенными структурными зонами, отдельными струк­
турами, тектоническими нарушениями. В сравнении с общей
п л о щ а д ь ю р а с п р о с т р а н е н и я пород чехла т а к и е участки всегда я в ­
ляются л о к а л ь н ы м и .
П р и р а с с м о т р е н и и о с а д о ч н о г о чехла к р у п н ы х с т р у к т у р н ы х
э л е м е н т о в п л а т ф о р м ы в качестве трехмерного геологического
тела
наиболее с у щ е с т в е н н ы м и п о к а з а т е л я м и я в л я ю т с я геометрическая
ф о р м а и з а к о н о м е р н о с т и внутреннего с т р о е н и я . П л о щ а д ь н е п р е ­
рывного распространения о т л о ж е н и й осадочного чехла в пределах
крупных структурных элементов платформ, в границах которых
выделяются а р т е з и а н с к и е области и б а с с е й н ы I п о р я д к а , и з м е н я ­
ется в интервале я - ( 1 0 — 1 0 ) к м при и з м е н е н и и о б щ е й м о щ н о с т и
разреза практически от 0 д о 15—20 км. Наиболее распространенным
в пределах к р у п н ы х п л и т т е р р и т о р и и Р о с с и и является интервал
м о щ н о с т и о т л о ж е н и й чехла 1000—4000 м.
2
4
6
8
2
http://geoschool.web.ru
236
Часть III. О с н о в ы р е г и о н а л ь н о й г и д р о г е о л о г и и
К а к следует из о п р е д е л е н и я , о с н о в н о й о с о б е н н о с т ь ю с т р о е н и я
разреза а р т е з и а н с к о г о б а с с е й н а является н а л и ч и е с л о и с т ы х т о л щ
с л а б о д и с л о ц и р о в а н н ы х , п р е и м у щ е с т в е н н о осадочных (реже вулкан о г е н н о - о с а д о ч н ы х и вулканогенных) пород различного генезиса и
состава. В связи с этим разрез бассейна всегда предстаапяет собой
многократное
чередование
стратифицированных гидрогеологиче­
ских э л е м е н т о в , в качестве которых р а с с м а т р и в а ю т с я в о д о н о с н ы е
слои, горизонты, к о м п л е к с ы , реже водоносные серии, а также от­
носительно с л а б о п р о н и ц а е м ы е водоупорные слои, пласты и т о л щ и
горных пород (см. гл. 6).
К р о м е в ы д е л е н и я с о б с т в е н н о водоносных э л е м е н т о в (горизонт,
к о м п л е к с и др.) п р и р а с ч л е н е н и и р а з р е з а б а с с е й н а во м н о г и х
случаях н а и б о л е е в а ж н ы м я в л я е т с я о п р е д е л е н и е п о л о ж е н и я р е ­
г и о н а л ь н о р а с п р о с т р а н е н н ы х и о т н о с и т е л ь н о в ы д е р ж а н н ы х сла­
бопроницаемых
(водоупорных) разделов, изолирующих смежные
э л е м е н т ы г и д р о г е о л о г и ч е с к о г о разреза. И м е н н о н а л и ч и е т а к и х
разделов является п р и ч и н о й , а ф и к с и р у е м ы е различия пьезометри­
ческих н а п о р о в , состава и м и н е р а л и з а ц и и подземных вод и т.д. —
следствием гидродинамической разобщенности смежных водо­
н о с н ы х э л е м е н т о в гидрогеологического разреза (см. гл. 9).
П р е д с т а в л е н и я о с т р о е н и и и т и п а х с л а б о п р о н и ц а е м ы х сред
о с а д о ч н о г о чехла а р т е з и а н с к и х структур п л а т ф о р м д о н а с т о я щ е г о
времени разработаны слабо. В то же время на о с н о в а н и и а н а л и з а
и м е ю щ е г о с я ф а к т и ч е с к о г о материала м о ж н о с ф о р м у л и р о в а т ь два
п р и н ц и п и а л ь н о важных п о л о ж е н и я .
1. В разрезе осадочных о т л о ж е н и й артезианских структур плат­
ф о р м е н н о г о т и п а п р а к т и ч е с к и отсутствуют с к о л ь к о - н и б у д ь ш и ­
р о к о в ы д е р ж а н н ы е по п л о щ а д и слои и т о л щ и абсолютно
непрони­
цаемых горных пород.
По имеющимся представлениям (А.И. Силин-Бекчурин, Д.С. Соколов,
Е.В. Пиннекер и др.), в качестве абсолютно непроницаемых сред могут рассмат­
риваться только соляные пласты, в которых благодаря их пластичности при вы­
соких давлениях отсутствуют условия для сохранения пористости и открытой
трещиноватости. Однако и здесь относительная проницаемость может быть свя­
зана с зонами фациального замещения солей или с тектоническими разрывами
соляных пластов.
2. Все т и п ы г е о ф и л ь т р а ц и о н н ы х сред о с а д о ч н о г о чехла п р и
определенном строении и условиях залегания (уплотнение, це­
м е н т а ц и я ) могут рассматриваться к а к с л а б о п р о н и ц а е м ы е .
Если в качестве предела о т н о с и т е л ь н о й с л а б о п р о н и ц а е м о с т и
принимать величину, ниже которой породы рассматриваются
( М . К . К а л и н к о ) как " п о л у к о л л е к т о р ы " — 0,01 м к м (~10~ м/сут),
то результаты определения п р о н и ц а е м о с т и по к е р н о в о м у материа­
лу п о к а з ы в а ю т , что п р а к т и ч е с к и л ю б ы е т и п ы п о р о д чехла, к р о м е
2
http://geoschool.web.ru
Глава 10. А р т е з и а н с к и е б а с с е й н ы п л а т ф о р м е н н о г о т и п а
237
некоторых с е д и м е н т а ц и о н н о - ф а ц и а л ь н ы х сред с в ы с о к о й п е р в и ч ­
ной п о р и с т о с т ь ю , могут характеризоваться п о д о б н ы м и или более
н и з к и м и в е л и ч и н а м и п р о н и ц а е м о с т и ( В с е в о л о ж с к и й , 1983).
П р и гидрогеологическом расчленении разреза бассейна в целом
наиболее в а ж н ы м является в ы д е л е н и е м о щ н ы х р е г и о н а л ь н о р а с ­
пространенных слабопроницаемых разделов (толщ), положение
которых определяет выделение наиболее к р у п н ы х с т р а т и ф и к а ц и ­
о н н ы х элементов разреза (см. гл. 6), называемых
гидрогеологически­
ми этажами.
Выделение в качестве с а м о с т о я т е л ь н о й к р у п н о й е д и н и ц ы оса­
д о ч н о г о чехла гидрогеологического этажа (яруса) о п р а в д а н о тем,
что этаж рассматривается не т о л ь к о как с т р а т и ф и к а ц и о н н ы й , но
и как гидродинамический элемент, з а н и м а ю щ и й определенное
п о л о ж е н и е в разрезе а р т е з и а н с к о г о бассейна. П р и этом о с н о в н ы м
показателем выделения гидрогеологического этажа является е д и н ­
ство п р о ц е с с о в р е г и о н а л ь н о й г и д р о д и н а м и к и п о д з е м н ы х вод в
системе о т н о с и т е л ь н о и з о л и р о в а н н ы х в о д о н о с н ы х г о р и з о н т о в и
к о м п л е к с о в , о б ъ е д и н я е м ы х в г и д р о г е о л о г и ч е с к и й этаж. В к а ч е ­
стве о б щ е г о показателя, о п р е д е л я ю щ е г о р е г и о н а л ь н у ю д и н а м и к у
подземных вод этажа, р а с с м а т р и в а ю т с я характер и с т е п е н ь связи
п о д з е м н ы х вод с с о в р е м е н н о й п о в е р х н о с т ь ю , я в л я ю щ е й с я верх­
ней гидравлической г р а н и ц е й бассейна. В качестве г р а н и ц с м е ж ­
ных гидрогеологических этажей — п о л о ж е н и е р е г и о н а л ь н ы х сла­
бопроницаемых "разделов", определяющих различную степень
и з о л я ц и и и н т е р в а л о в р а з р е з а от п о в е р х н о с т и б а с с е й н а . В э т о м
случае при л ю б о й м о щ н о с т и и с т р о е н и и разреза чехла в а р т е з и ­
анском бассейне может быть выделено не более четырех гидрогео­
логических этажей, характеризующихся о п р е д е л е н н ы м и р а з л и ч и я ­
ми р е г и о н а л ь н о й д и н а м и к и п о д з е м н ы х вод.
Первый структурно-гидрогеологический
этаж (ярус) б а с с е й н а
выделяется в той части разреза, в пределах которой гидравличе­
ская связь с с о в р е м е н н о й поверхностью бассейна на всей площади
р а с п р о с т р а н е н и я соответствующих в о д о н о с н ы х горизонтов ( к о м ­
плексов) является о с н о в н ы м ф а к т о р о м , о п р е д е л я ю щ и м структуру
потоков п о д з е м н ы х вод.
В л и я н и е верхней г и д р о д и н а м и ч е с к о й г р а н и ц ы о б у с л о в л и в а е т
формирование "местных" потоков подземных вод, тесно связанных
с современным рельефом территории (формирование подземного
стока и в о д о о б м е н а по схеме А . Н . М я т и е в а ) .
Нижней границей этажа является стратиграфическая грани­
ца, с о о т в е т с т в у ю щ а я п о л о ж е н и ю кровли п е р в о й от п о в е р х н о с т и
регионально в ы д е р ж а н н о й с л а б о п р о н и ц а е м о й т о л щ и бассейна.
http://geoschool.web.ru
238
Часть III. О с н о в ы р е г и о н а л ь н о й г и д р о г е о л о г и и
Второй структурно-гидрогеологический
этаж о б ъ е д и н я е т в о д о ­
н о с н ы е к о м п л е к с ы разреза, п о д з е м н ы е воды которых и м е ю т гид­
равлическую связь с современной поверхностью только на п е р и ф е ­
рии структуры и сводах локальных поднятий внутренней области, а
на большей части бассейна изолированы от поверхности региональ­
но в ы д е р ж а н н ы м и с л а б о п р о н и ц а е м ы м и п о р о д а м и з н а ч и т е л ь н о й
мощности.
П о д о б н ы й характер связи с верхней гидравлической г р а н и ц е й
б а с с е й н а обусловливает ф о р м и р о в а н и е наряду с м е с т н ы м д в и ж е ­
нием (краевая зона) общеструктурных региональных потоков
п о д з е м н ы х вод.
Третий структурно-гидрогеологический
этаж чехла в к л ю ч а е т
водоносные горизонты и к о м п л е к с ы , не и м е ю щ и е гидравлической
связи с с о в р е м е н н о й п о в е р х н о с т ь ю бассейна. Верхней г р а н и ц е й
этажа является стратиграфическая граница, соответствующая п о л о ­
ж е н и ю кровли регионально в ы д е р ж а н н о й с л а б о п р о н и ц а е м о й тол­
щ и , которая относительно изолирует его от в ы ш е л е ж а щ и х и н т е р ­
валов р а з р е з а , и м е ю щ и х г и д р а в л и ч е с к у ю с в я з ь с п о в е р х н о с т ь ю
бассейна. Отсутствие открытой связи с поверхностью на всей пло­
щади распространения отложений нижнего этажа приводит к тому,
что о с н о в н ы м ф а к т о р о м ф о р м и р о в а н и я подземного стока является
здесь затрудненная
связь с п о д з е м н ы м и в о д а м и верхних э т а ж е й
и пород ф у н д а м е н т а , о с у щ е с т в л я ю щ а я с я по л о к а л ь н ы м з о н а м с
п о в ы ш е н н о й в е р т и к а л ь н о й п р о н и ц а е м о с т ь ю разреза (К > К ), а
т а к ж е п е р е р а с п р е д е л е н и е пластовых д а в л е н и й под воздействием
различных эндогенных процессов.
н
л
В качестве четвертого структурно-гидрогеологического
этажа
бассейна условно может рассматриваться ф у н д а м е н т артезианской
структуры, в ы д е л я е м о й на о с н о в е р е з к о г о р а з л и ч и я с т р о е н и я и
свойств г е о ф и л ь т р а ц и о н н о й среды.
Для однотипных (гранулометрия, минералогический состав
и др.) горных пород ц е н т р а л ь н ы х р а й о н о в структуры характерно
п о с т е п е н н о е у м е н ь ш е н и е п р о н и ц а е м о с т и с у в е л и ч е н и е м глубины
их залегания, с в я з а н н о е с у м е н ь ш е н и е м воздействия э к з о г е н н ы х
ф а к т о р о в , а также у с и л е н и е м роли п р о ц е с с о в у п л о т н е н и я и це­
ментации.
На ф о н е о б щ е р е г и о н а л ь н о г о с н и ж е н и я ф и л ь т р а ц и о н н о й п р о ­
н и ц а е м о с т и п о р о д чехла в н а п р а в л е н и и от п е р и ф е р и и к центру
б а с с е й н а и с у в е л и ч е н и е м глубин з а л е г а н и я отчетливо п р о я в л я ­
ются з а к о н о м е р н о с т и II—III и более в ы с о к и х п о р я д к о в , с в я з а н ­
ные с в н у т р е н н и м с т р у к т у р н ы м п л а н о м бассейна. Н а и б о л е е бла­
г о п р и я т н ы е условия ф о р м и р о в а н и я л о к а л ь н ы х участков и зон с
относительно повышенной проницаемостью (проводимостью)
http://geoschool.web.ru
Глава 10. А р т е з и а н с к и е б а с с е й н ы п л а т ф о р м е н н о г о т и п а
239
пород чехла х а р а к т е р н ы д л я сводов и п е р е к л и н а л ь н ы х частей п о ­
ложительных структур разных порядков в связи с возможным
здесь ф а ц и а л ь н ы м з а м е щ е н и е м с л а б о п р о н и ц а е м ы х пород, р а з в и ­
тием и н т е н с и в н о й соскладчатой т р е щ и н о в а т о с т и , н а л и ч и е м д р е в ­
них р а з м ы в о в , п а л е о к а р с т а и д р .
Формирование артезианских вод. З а к о н о м е р н о с т и ф о р м и р о в а н и я
п о д з е м н ы х вод в а р т е з и а н с к и х б а с с е й н а х п л а т ф о р м е н н о г о т и п а
о п р е д е л я ю т с я м н о г и м и ф а к т о р а м и , среди к о т о р ы х в а ж н е й ш и м и
являются форма и размеры бассейна, внутренний структурный
п л а н , с т р о е н и е и м о щ н о с т ь разреза, т и п ы в о д о в м е щ а ю щ и х пород
и д р . О д н а к о в о б щ е м случае о с н о в н ы е з а к о н о м е р н о с т и ф о р м и ­
р о в а н и я р е г и о н а л ь н о й д и н а м и к и п о д з е м н ы х вод, их х и м и ч е с к о г о
состава и м и н е р а л и з а ц и и прежде всего с в я з а н ы с т е м , к к а к о м у
г и д р о г е о л о г и ч е с к о м у этажу разреза б а с с е й н а о т н о с и т с я д а н н ы й
в о д о н о с н ы й горизонт ( к о м п л е к с ) .
Первый гидрогеологический
этаж бассейна. К а к уже б ы л о указа­
но в ы ш е , к нему о т н о с и т с я система о т н о с и т е л ь н о и з о л и р о в а н н ы х
друг от друга в о д о н о с н ы х г о р и з о н т о в и к о м п л е к с о в ( п л а с т о в а я
система), в которых ф о р м и р у ю т с я местные потоки подземных вод,
с в я з а н н ы е с р е л ь е ф о м и г и д р о г р а ф и е й с о в р е м е н н о й поверхности
б а с с е й н а ( р и с . 10.2). О б щ а я м о щ н о с т ь п е р в о г о э т а ж а в з а в и с и ­
мости от с т р о е н и я гидрогеологического разреза и з м е н я е т с я о б ы ч ­
но в пределах 200—500 м, реже более.
П и т а н и е м е ж п л а с т о в ы х п о д з е м н ы х вод осуществляется н е п о с ­
редственно за счет и н ф и л ь т р а ц и и а т м о с ф е р н ы х осадков н а участ­
ках открытых выходов пластов на поверхность (структурные выхо­
д ы , с к л о н ы междуречий, высокие террасы крупных речных д о л и н
и д р . ) , а т а к ж е за счет н и с х о д я щ е й ф и л ь т р а ц и и из в ы ш е л е ж а щ и х
горизонтов разреза ( ф и л ь т р а ц и я п о гидрогеологическим о к н а м в
с л а б о п р о н и ц а е м ы х п л а с т а х и п е р е т е к а н и е ) . В з а в и с и м о с т и от
к л и м а т и ч е с к и х у с л о в и й , с т р о е н и я разреза и т и п о в в о д о в м е щ а ю ­
щих пород с р е д н и е с у м м а р н ы е в е л и ч и н ы п и т а н и я межпластовых
вод первого э т а ж а и з м е н я ю т с я от 0,1—0,3 л / с • к м в з о н а х н е ­
достаточного у в л а ж н е н и я д о 1,0—2,0 — в зонах у м е р е н н о г о и и з ­
б ы т о ч н о г о у в л а ж н е н и я и д о 3,0—5,0 л / с • к м и более н а участках,
где разрез верхнего этажа представлен в ы с о к о п р о н и ц а е м ы м и п о ­
родами ( к р у п н о - и грубозернистые п е с к и , г а л е ч н и к и , и н т е н с и в н о
з а к а р с т о в а н н ы е п о р о д ы ) ( П о д з е м н ы й сток..., 1982). О д н а к о д л я
к о н к р е т н ы х участков пластовых систем в з а в и с и м о с т и от р а с п р е ­
деления ф и л ь т р а ц и о н н ы х п а р а м е т р о в в о д о н о с н ы х и с л а б о п р о н и ­
цаемых п о р о д удельные в е л и ч и н ы п и т а н и я межпластовых вод на
о т н о с и т е л ь н о к о р о т к и х р а с с т о я н и я х могут м е н я т ь с я в пределах
I—II п о р я д к о в и более (рис. 10. 3).
2
2
http://geoschool.web.ru
240
Часть III. О с н о в ы р е г и о н а л ь н о й г и д р о г е о л о г и и
Рис. 10.2. Схема пьезометрической поверхности межпластового (лалеоцен-эоценового) водоносного горизонта южной части Тобольского бассейна (Западно-Сибир­
ская артезианская область): / — границы распространения отложений палсоцензоценового горизонта; 2 — граница Тобольского бассейна; 3 — гидроизопьезы,
цифры — абс. отметки пьезометрического уровня межпластовых вод; 4 — то же
по предположению; 5 — участки поверхностного (открытого) распространения
водоносных отложений палеоцен-эоценового горизонта; 6 — направления дви­
жения межпластовых вод
С т р о е н и е п ь е з о м е т р и ч е с к о й поверхности м е ж п л а с т о в ы х гори­
зонтов первого гидрогеологического этажа определяет общую
структуру п о т о к о в п о д з е м н ы х вод (см. рис. 10.2). М а к с и м а л ь н ы е
отметки пьезометрической поверхности характерны для цент­
ральных п р и п о д н я т ы х частей м е ж д у р е ч н ы х пространств, которые
рассматриваются в качестве основных областей питания меж­
пластовых вод. О д н а к о в б а л а н с о в о м с м ы с л е о с н о в н ы е участки
п и т а н и я м е ж п л а с т о в ы х вод с а н о м а л ь н о в ы с о к и м и у д е л ь н ы м и
в е л и ч и н а м и п и т а н и я ч а щ е всего п р и у р о ч е н ы не к ц е н т р а л ь н ы м
частям междуречных пространств, а к л о к а л ь н ы м участкам выхо­
да пластов на поверхность ( с к л о н ы междуречий, в ы с о к и е террасы
http://geoschool.web.ru
Глава 10. А р т е з и а н с к и е б а с с е й н ы п л а т ф о р м е н н о г о т и п а
241
крупных р е ч н ы х д о л и н и др.) и к участкам с н а л и ч и е м " г и д р о г е о ­
л о г и ч е с к и х о к о н " , о п р е д е л я ю щ и х с у щ е с т в о в а н и е о т к р ы т о й гид­
равлической связи э л е м е н т о в пластовой с и с т е м ы . В соответствии
с р а с п р е д е л е н и е м н а п о р о в в каждом в о д о н о с н о м горизонте ( к о м ­
плексе) п е р в о г о этажа ф о р м и р у ю т с я п о т о к и м е ж п л а с т о в ы х вод,
н а п р а в л е н н ы е от о т н о с и т е л ь н о п р и п о д н я т ы х участков территории
к д р е н и р у ю щ и м э р о з и о н н ы м п о н и ж е н и я м ( п о н и ж е н н ы м участ­
кам). С р е д н и е з н а ч е н и я г р а д и е н т о в п л а с т о в ы х п о т о к о в и з м е н я ­
ются в пределах 0,01—0,0001 (см. р и с . 10.2).
Разгрузка м е ж п л а с т о в ы х вод осуществляется п р е и м у щ е с т в е н н о
при восходящей ф и л ь т р а ц и и в грунтовый в о д о н о с н ы й горизонт и
через него в г и д р о г р а ф и ч е с к у ю сеть т е р р и т о р и и (речные д о л и н ы ,
озерные котловины, заболоченные низменности, солончаковые
п о н и ж е н и я и д р . ) . В отдельных случаях на с к л о н а х э р о з и о н н ы х
врезов, в бортах тектонических впадин и других п о н и ж е н и я х
Рис. 10.3. Схема распределения величин современного питания межпластовых
вод первого этажа Тобольского бассейна (палеоцен-эоценовый водоносный гори­
зонт): / — границы расчетного участка; 2 — контур древней эоценовой долины.
Величины современного питания межпластовых вод: J — менее 0,1; 4— 0,1—0,5;
5 — 0,5—3,0 л/с • км ; 6 — центр расчетного блока, цифра — величина питания
подземных вод (л/с • км ); 7 — то же, цифра — величина разгрузки межпластовых
вод (л/с • км )
2
2
2
http://geoschool.web.ru
Часть III. О с н о в ы р е г и о н а л ь н о й г и д р о г е о л о г и и
242
ф о р м и р у ю т с я о т к р ы т ы е выходы ( и с т о ч н и к и ) грунтовых и, р е ж е ,
м е ж п л а с т о в ы х вод, о д н а к о р е з у л ь т а т ы к о л и ч е с т в е н н ы х о ц е н о к
( П о д з е м н ы й сток..., 1983; и др.) п о к а з ы в а ю т , что в условиях а р ­
тезианских бассейнов платформ объем родникового стока (ис­
т о ч н и к и ) о б ы ч н о с о с т а в л я е т м е н е е 10% с у м м а р н о й р а з г р у з к и
п о д з е м н ы х вод I гидрогеологического этажа.
П о л о ж е н и е областей п и т а н и я на в о з в ы ш е н н ы х участках т е р ­
р и т о р и й и разгрузки (в п о н и ж е н и я х рельефа) определяет о б щ у ю
схему ф о р м и р о в а н и я м е с т н ы х п о т о к о в п е р в о г о г и д р о г е о л о г и ч е ­
ского этажа б а с с е й н а (см. рис. 8.3). В балансе каждого элемента
пластовой с и с т е м ы на в о з в ы ш е н н ы х участках т е р р и т о р и и п и т а ­
н и е , п о с т у п а ю щ е е из в ы ш е л е ж а щ е г о г о р и з о н т а , расходуется на
ф о р м и р о в а н и е пластового потока и разгрузки в н и ж е л е ж а щ и й
элемент разреза, которая происходит путем ф и л ь т р а ц и и по гидро"геологическим о к н а м " или перетеканием через слабопроницаемые
пласты. На п о н и ж е н н ы х участках р е л ь е ф а с у м м а р н а я разгрузка
ф о р м и р у е т с я за счет п р и т о к а по пласту и расхода, п о с т у п а ю щ е г о
из н и ж е л е ж а щ е г о элемента разреза, в том числе за счет восходя­
щей ф и л ь т р а ц и и из водоносных горизонтов и к о м п л е к с о в второго
гидрогеологического этажа.
Формирование химического
состава м е ж п л а с т о в ы х вод первого
гидрогеологического этажа определяется главным образом про­
цессами в ы щ е л а ч и в а н и я и с м е ш е н и я (см. гл. 4, 8). В связи с от­
н о с и т е л ь н о н е б о л ь ш о й м о щ н о с т ь ю разреза и н а л и ч и е м участков
о т к р ы т о г о п и т а н и я и разгрузки межпластовых вод в о т л о ж е н и я х
первого этажа формируются преимущественно пресные (менее
1 г/л) п о д з е м н ы е воды г и д р о к а р б о н а т н о г о или с у л ь ф а т н о - г и д р о ­
к а р б о н а т н о г о состава. Ф о р м и р о в а н и е здесь более м и н е р а л и з о в а н ­
ных вод сульфатного, сульфатно-хлоридного и хлоридного состава
может б ы т ь с в я з а н о : 1) с н а л и ч и е м ( с о х р а н е н и е м ) л е г к о р а с т в о р и ­
мых S 0 и С1 соединений в водоносных и слабопроницаемых поро­
дах разреза первого этажа (гипс-ангидритовые или загипсованные
толщи, современные и верхнечетвертичные морские отложения,
более древние слабопроницаемые породы морского генезиса и др.);
2) с п р о ц е с с а м и к о н т и н е н т а л ь н о г о з а с о л е н и я г р у н т о в ы х вод и
пород зоны а э р а ц и и ( а р и д н ы е т е р р и т о р и и ) ; 3) с п р и т о к о м в ы с о ­
к о м и н е р а л и з о в а н н ы х п о д з е м н ы х вод из н и ж е л е ж а щ и х э л е м е н т о в
разреза (участки разгрузки подземных вод второго этажа); 4) с п р о ­
цессами а н т р о п о г е н н о г о з а г р я з н е н и я грунтовых вод и через них
верхних м е ж п л а с т о в ы х горизонтов.
4
В районах умеренного и избыточного увлажнения с большими
у д е л ь н ы м и в е л и ч и н а м и п и т а н и я м е ж п л а с т о в ы х вод н а и б о л е е бла-
http://geoschool.web.ru
Глава 10. А р т е з и а н с к и е б а с с е й н ы п л а т ф о р м е н н о г о т и п а
243
гоприятны условия длительного сохранения легкорастворимых
с о е д и н е н и й ( S 0 , C I ) , х а р а к т е р н ы е д л я н и ж н е й части р а з р е з а
первого этажа, не в с к р ы т о й с о в р е м е н н о й или д р е в н е й э р о з и е й .
В связи с этим в н и ж н е й части разреза первого этажа часто ф о р ­
мируются г и д р о к а р б о н а т н о - с у л ь ф а т н ы е и с у л ь ф а т н ы е воды с м и ­
н е р а л и з а ц и е й 1,5—3,0 г/л и более. В том случае, когда н и ж н я я
часть разреза этажа или п о д с т и л а ю щ а я с л а б о п р о н и ц а е м а я толща
представлена соленосными или интенсивно засоленными породами
(Приуралье, Ангаро-Ленский регион и др.), непосредственно в
водоносных горизонтах первого этажа могут формироваться в ы с о ­
к о м и н е р а л и з о в а н н ы е хлоридные воды и рассолы (М = 50—100 г/л
и более). В ряде случаев с этим могут б ы т ь с в я з а н ы о б р а з о в а н и е
куполов м и н е р а л и з о в а н н ы х вод на участках и н т е н с и в н о й разгруз­
ки, выходы с о л е н ы х и с т о ч н и к о в , засоление с к в а ж и н , э к с п л у а т и ­
рующих верхние в о д о н о с н ы е г о р и з о н т ы , и др.
4
Второй гидрогеологический
этаж б а с с е й н а о б ъ е д и н я е т систему
в о д о н о с н ы х г о р и з о н т о в , и м е ю щ и х с в я з ь с с о в р е м е н н о й поверх­
ностью на п е р и ф е р и и структуры ( п о д н я т и я х внутренней области)
и и з о л и р о в а н н ы х от нее м о щ н ы м и т о л щ а м и с л а б о п р о н и ц а е м ы х
пород в пределах внутренней области бассейна. В этих условиях
основной объем современного питания межпластовых вод формиру­
ется на о т н о с и т е л ь н о п р и п о д н я т ы х участках п е р и ф е р и и б а с с е й н а ,
а также на п р и л е г а ю щ е м с к л о н е соседнего с т р у к т у р н о - г и д р о г е о ­
л о г и ч е с к о г о района.
В пределах п е р и ф е р и и с о б с т в е н н о б а с с е й н а , н а з ы в а е м о й внут­
ренней областью питания, питание межпластовых вод осуществля­
ется и н ф и л ь т р а ц и е й а т м о с ф е р н ы х осадков в местах выхода пластов
на п о в е р х н о с т ь и н и с х о д я щ е й ф и л ь т р а ц и е й через р а з д е л я ю щ и е
с л а б о п р о н и ц а е м ы е п о р о д ы . П и т а н и е с о с т о р о н ы выхода п о р о д
фундамента на поверхность или со с к л о н о в складчатого о б р а м л е ­
ния б а с с е й н а ф о р м и р у е т с я за счет п р и т о к а т р е щ и н н о - г р у н т о в ы х
вод, т р е щ и н н о - ж и л ь н ы х вод з о н т е к т о н и ч е с к и х н а р у ш е н и й , зон
и н т е н с и в н о й з а к а р с т о в а н н о с т и и д р . В соответствии с э т и м с к л о ­
ны о б р а м л е н и я (в о б щ е м случае д о о с н о в н о г о водораздела п о ­
верхностного стока) р а с с м а т р и в а ю т с я в качестве так н а з ы в а е м о й
внешней области питания а р т е з и а н с к и х вод (рис. 10.4).
Часть п о д з е м н ы х вод, ф о р м и р у ю щ и х с я в пределах в н е ш н е й и
внутренней областей п и т а н и я , разгружается в м е с т н у ю гидрогра­
ф и ч е с к у ю сеть т е р р и т о р и и , а часть ф о р м и р у е т т а к н а з ы в а е м ы й
" г л у б о к и й " а р т е з и а н с к и й с т о к ( К у д е л и н , 1960). В соответствии с
классическими представлениями (А.И. С и л и н - Б е к ч у р и н , A . M . О в ­
ч и н н и к о в и др.), в отложениях второго гидрогеологического этажа
http://geoschool.web.ru
Часть III. О с н о в ы р е г и о н а л ь н о й г и д р о г е о л о г и и
244
Внутренняя
область
бассейна
Рис. 10.4. Принципиальная схема формирования потоков подземных вод в крае­
вой части артезианского бассейна платформенного типа:
/ — системы межпластовых горизонтов I и II гидрогеологических этажей бассей­
на; 2 — слабопроницаемые разделяющие толщи; 3 — породы обрамления и фун­
дамента; 4 — направления движения подземных вод I этажа; 5 — трещинных вод
обрамления; 6 — II гидрогеологического этажа; 7 — направления затрудненной
субвертикальной фильтрации через слабопроницаемые породы; 8 — границы и
номера гидрогеологических этажей; 9 — границы и номера гидродинамических зон
ф о р м и р у ю т с я региональные
п о т о к и г л у б о к и х а р т е з и а н с к и х вод,
н а п р а в л е н н ы е от краевых областей п и т а н и я к ц е н т р а л ь н ы м п о ­
г р у ж е н н ы м р а й о н а м б а с с е й н а и далее к р е г и о н а л ь н ы м областям
разгрузки, в качестве к о т о р ы х о б ы ч н о р а с с м а т р и в а ю т с я в п а д и н ы
с о в р е м е н н ы х морей и к р у п н ы е в н у т р и к о н т и н е н т а л ь н ы е водоемы
(предполагаемая п р о т я ж е н н о с т ь п о т о к о в в этом случае составляет
сотни, а иногда и тысячи километров). Однако количествен­
ные д а н н ы е , п о л у ч е н н ы е в последнее время (В.А. В с е в о л о ж с к и й ,
В.И. Д ю н и н ) , свидетельствуют о т о м , что представления о так н а ­
з ы в а е м ы х р е г и о н а л ь н ы х п о т о к а х а р т е з и а н с к и х вод з н а ч и т е л ь н о
преувеличены. В большинстве случаев распределение расходов
м е ж п л а с т о в ы х вод в о т л о ж е н и я х в т о р о г о г и д р о г е о л о г и ч е с к о г о
э т а ж а м о ж е т б ы т ь о х а р а к т е р и з о в а н о к р и в о й , п р и в е д е н н о й на
рис. 10.5. О б щ и й вид к р и в о й и з м е н е н и я расхода позволяет выде­
л и т ь в потоке п о д з е м н ы х вод второго этажа три х а р а к т е р н ы е гид­
р о д и н а м и ч е с к и е области: 1 — краевую область п и т а н и я , где и з -
http://geoschool.web.ru
Глава 10. А р т е з и а н с к и е б а с с е й н ы п л а т ф о р м е н н о г о т и п а
245
м е н е н и е расхода определяется чередованием участков п и т а н и я и
местной разгрузки п о д з е м н ы х вод; 2 — краевую область разгрузки
межпластовых вод второго этажа, в пределах которой п р о и с х о д и т
р е з к о е с о к р а щ е н и е расхода пластовых п о т о к о в за счет восходя­
щей ф и л ь т р а ц и и н а п о р н ы х вод в в о д о н о с н ы е горизонты первого
этажа и далее в грунтовые и п о в е р х н о с т н ы е воды; 3 — в н у т р е н ­
н ю ю область б а с с е й н а с р е з к о о с л а б л е н н ы м пластовым п р и т о к о м
от краевых областей п и т а н и я (см. р и с . Ю.4, Ю.5).
Рис. 10.5. Схема изменения расходов
пластовых потоков и минерализации
подземных вод второго гидрогеологи­
ческого этажа в направлении от грани­
цы к внутренней области артезианского
бассейна: / — расход пластовых пото­
ков; 2 — минерализация подземных вод;
3 — границы и номера характерных зон
Характер и з м е н е н и я расходов пластовых п о т о к о в и п о л о ж е н и е
г р а н и ц в ы д е л е н н ы х областей свидетельствуют о т о м , что совре­
менный водообмен в в о д о н о с н ы х горизонтах второго этажа ф о р м и ­
руется главным образом в краевых зонах а р т е з и а н с к и х б а с с е й н о в .
В пределах в н у т р е н н е й , к а к п р а в и л о , о т н о с и т е л ь н о п о г р у ж е н н о й
области б а с с е й н а в о д о н о с н ы е г о р и з о н т ы второго г и д р о г е о л о г и ­
ческого этажа практически не имеют связи с с о в р е м е н н о й поверх­
ностью (в л а т е р а л ь н о м н а п р а в л е н и и эта связь затруднена з н а ч и ­
т е л ь н ы м и р а с с т о я н и я м и и н а л и ч и е м краевых областей разгрузки).
Таким образом, условия ф о р м и р о в а н и я региональных потоков
а р т е з и а н с к и х вод, как п р а в и л о , р е з к о о г р а н и ч е н н ы .
В пределах каждого к о н к р е т н о г о бассейна (участка) к о н ф и г у р а ­
ц и я г р а н и ц областей и их ш и р и н а могут б ы т ь р а з л и ч н ы м и . В о б W T A й ^ Х й й , ХХШ^ЛЧХй. Y\YU Yv\^^7bYCKAYi> N^ft&X-XJTk Х^ЛЖЛ'СЛ W W ^ X W A
изменяется от н е с к о л ь к и х д е с я т к о в д о сотен к и л о м е т р о в . С у щ е ­
с т в о в а н и е краевой з о н ы разгрузки о б ы ч н о о п р е д е л я е т с я н а л и ч и ­
ем в с о в р е м е н н о м р е л ь е ф е глубоких э р о з и о н н ы х п о н и ж е н и й с
н и з к и м п о л о ж е н и е м у р о в н е й г р у н т о в ы х и п о в е р х н о с т н ы х вод
( к р у п н ы е р е ч н ы е д о л и н ы , о з е р н ы е к о т л о в и н ы и др.). О б щ е й за­
к о н о м е р н о с т ь ю я ы я е т с я к о л и ч е с т в е н н о у с т а н о в л е н н ы й ф а к т , что
более 80—90% с у м м а р н о г о объема современного питания м е ж п л а с ­
товых вод в т о р о г о г и д р о г е о л о г и ч е с к о г о э т а ж а разгружается н е ­
п о с р е д с т в е н н о в к р а е в о й з о н е , не ф о р м и р у я р е г и о н а л ь н о г о п р и ­
тока к внутренней области б а с с е й н а (см. р и с 10.4). В ряде случаев
и м е ю щ и е с я д а н н ы е по распределению напоров межпластовых
http://geoschool.web.ru
Часть III. О с н о в ы р е г и о н а л ь н о й г и д р о г е о л о г и и
246
вод п о к а з ы в а ю т , что на п е р и ф е р и и а р т е з и а н с к и х б а с с е й н о в ф о р ­
мируются обширные площади, гидравлически изолированные
( н а л и ч и е водоразделов) от с и с т е м ы р е г и о н а л ь н ы х п о т о к о в арте­
з и а н с к и х вод б а с с е й н а ( Д ю н и н , 2001).
Формирование химического состава п о д з е м н ы х вод второго эта­
жа, их м и н е р а л и з а ц и и и г и д р о г е о т е р м и ч е с к о г о р е ж и м а с а м ы м
т е с н ы м образом с в я з а н о с р а с с м о т р е н н о й в ы ш е д и н а м и к о й п о т о ­
к о в м е ж п л а с т о в ы х вод в к р а е в о й ч а с т и б а с с е й н а . В п р е д е л а х
в н е ш н е й и в н у т р е н н е й областей п и т а н и я о с н о в н ы м п р о ц е с с о м ,
о п р е д е л я ю щ и м состав и м и н е р а л и з а ц и ю п о д з е м н ы х вод, является
п р о ц е с с в ы щ е л а ч и в а н и я . В т о м случае, когда п и т а н и е о с у щ е с т ­
вляется за счет " о т к р ы т о й " ф и л ь т р а ц и и на выходах в о д о н о с н ы х
пластов или за счет притока из в н е ш н е й области, непосредственно
в краевой части бассейна ф о р м и р у е т с я , как правило, зона пресных
( м е н е е 1 г/л) г и д р о к а р б о н а т н ы х вод, м о щ н о с т ь к о т о р о й м о ж е т
достигать 600—800 м и более.
Приток маломинерализованных трещинных вод из пород кристаллического
или складчатого обрамления рассматривается обычно как основная причина
формирования мощной зоны пресных гидрокарбонатных подземных вод в краевой
части бассейна (А.И. Силин-Бекчурин, В.Ф. Маврицкий и др.). Однако наличие
этой зоны может быть также связано со значительными величинами питания в
самой краевой зоне бассейна или с другими причинами.
П р и р а с п р о с т р а н е н и и в разрезе краевой части г и п с - а н г и д р и ­
товых т о л щ или з а г и п с о в а н н ы х пород н е п о с р е д с т в е н н о в области
п и т а н и я ф о р м и р у ю т с я п р е и м у щ е с т в е н н о с у л ь ф а т н ы е или х л о р и д н о - с у л ь ф а т н ы е воды с м и н е р а л и з а ц и е й д о 3,0—5,0 г/л. П р и н а л и ­
чии гидравлически " о т к р ы т ы х " участков п и т а н и я и и н т е н с и в н о г о
п р и т о к а со с т о р о н ы о б р а м л е н и я д л я м е ж п л а с т о в ы х вод второго
этажа в краевой части б а с с е й н а характерно о б ы ч н о р а с п р о с т р а н е ­
ние на з н а ч и т е л ь н у ю глубину газов а т м о с ф е р н о г о п р о и с х о ж д е н и я
( N , С 0 , О,), повышенное содержание органических веществ
(для верхних г о р и з о н т о в , с в я з а н н ы х с г р у н т о в ы м и и п о в е р х н о с т ­
н ы м и водами), отсутствие газов и м и к р о к о м п о н е н т о в г л у б и н н о г о
генезиса. Д л я этих участков т а к ж е м о ж е т б ы т ь х а р а к т е р н о р а с ­
п р о с т р а н е н и е на з н а ч и т е л ь н ы е глубины с е з о н н ы х и м н о г о л е т н и х
к о л е б а н и й температуры п о д з е м н ы х вод.
7
2
На у ч а с т к а х , где п и т а н и е м е ж п л а с т о в ы х вод в т о р о г о э т а ж а
ф о р м и р у е т с я за счет з а т р у д н е н н о й н и с х о д я щ е й ф и л ь т р а ц и и через
слабопроницаемые породы с относительно низкими удельными
расходами, с у щ е с т в е н н у ю роль в ф о р м и р о в а н и и состава и м и н е ­
р а л и з а ц и и м е ж п л а с т о в ы х вод и г р а ю т п р о ц е с с ы в ы щ е л а ч и в а н и я
" в о д о у п о р о в " . П р и н а л и ч и и в с л а б о п р о н и ц а е м ы х породах л е г к о -
http://geoschool.web.ru
Глава 10. А р т е з и а н с к и е б а с с е й н ы п л а т ф о р м е н н о г о т и п а
247
растворимых соединений (морские глинистые породы, гипс-ан­
г и д р и т о в ы е или з а с о л е н н ы е т о л щ и и др.) н е п о с р е д с т в е н н о под
н и м и в пределах краевой области п и т а н и я в о з м о ж н о ф о р м и р о в а ­
ние с у л ь ф а т н о - х л о р и д н ы х и х л о р и д н ы х вод с м и н е р а л и з а ц и е й до
10—15 г/л и более.
Далее по потоку в связи с ф о р м и р о в а н и е м разгрузки межпласто­
вых вод п р о и с х о д и т п о с т е п е н н о е с о к р а щ е н и е расходов пластовых
п о т о к о в и с к о р о с т е й д в и ж е н и я п о д з е м н ы х вод. Э т о о п р е д е л я е т
постепенное уменьшение степени "промытости" гидрогеологи­
ч е с к о г о разреза ( д л и т е л ь н о е в т е ч е н и е г е о л о г и ч е с к о г о в р е м е н и
сохранение легкорастворимых соединений в минералого-геохим и ч е с к о м к о м п л е к с е в о д о н о с н ы х и с л а б о п р о н и ц а е м ы х пород, с о ­
х р а н е н и е поровых растворов с е д и м е н т а ц и о н н о г о генезиса и др.).
В этих условиях (при избытке р а с т в о р и м о й ф а з ы ) процесс в ы щ е ­
л а ч и в а н и я о г р а н и ч е н т о л ь к о пределом р а с т в о р и м о с т и о с н о в н ы х
( S O , С Г ) с о е д и н е н и й (с учетом п о с т е п е н н о г о роста температур
и д а в л е н и й при у в е л и ч е н и и глубины з а л е г а н и я ) , что определяет
п о с т е п е н н о е у в е л и ч е н и е м и н е р а л и з а ц и и м е ж п л а с т о в ы х вод д о
значений, характерных для внутренней наиболее погруженной
области б а с с е й н а , и ф о р м и р о в а н и е п о д з е м н ы х вод п р е и м у щ е с т ­
в е н н о х л о р и д н о г о состава (см. рис. 10.4, 10.5).
О д н и м из ф а к т о р о в , о п р е д е л я ю щ и м состав и м и н е р а л и з а ц и ю
м е ж п л а с т о в ы х вод, является в е р т и к а л ь н а я в о с х о д я щ а я разгрузка
н а п о р н ы х вод, с чем с в я з а н о поступление более глубоких и в о б ­
щем случае более м и н е р а л и з о в а н н ы х п о д з е м н ы х вод. С н а л и ч и е м
восходящей разгрузки п о д з е м н ы х вод может быть с в я з а н о также
п о я в л е н и е в в о д о н о с н ы х горизонтах первого этажа, в грунтовых,
а в н е к о т о р ы х случаях в п о в е р х н о с т н ы х водах с п е ц и ф и ч е с к о г о
состава м и к р о к о м п о н е н т о в (I, В, Вг) и газов глубинного п р о и с ­
хождения ( С 0 , Не, H S и др.) вплоть до ф о р м и р о в а н и я гидрогео­
химических и гидрогеотермических а н о м а л и й на участках и н т е н ­
с и в н о й в о с х о д я щ е й разгрузки н а п о р н ы х вод ( М . И . З а й д е л ь с о н ,
Е.В. П и н н е к е р и др.). О т н о с и т е л ь н о простая схема ф о р м и р о в а ­
н и я состава и м и н е р а л и з а ц и и п о д з е м н ы х вод, о п р е д е л я е м а я д и ­
н а м и к о й потока в краевой з о н е разгрузки, в р е а л ь н ы х условиях
является значительно более сложной. Сочетание структурного
и г и д р о д и н а м и ч е с к о г о ф а к т о р о в определяет н а л и ч и е здесь о с н о в ­
н о г о " з о н а л ь н о г о г е о х и м и ч е с к о г о б а р ь е р а ' , на к о т о р о м
окис­
лительная
обстановка, характерная для краевой зоны питания,
с м е н я е т с я восстановительными
условиями внутренней области
бассейна.
2
2
2
1
http://geoschool.web.ru
248
Часть III. О с н о в ы р е г и о н а л ь н о й г и д р о г е о л о г и и
Термин "барьер" в данном случае является условным, так как различное его
положение в каждом водоносном горизонте, конфигурация в плане, изменения в
различные л а п ы геологической истории и другие факторы обусловливают, по
сути дела, наличие протяженной переходной гидрогеохимической зоны.
Н а л и ч и е " г е о х и м и ч е с к о г о б а р ь е р а " обусловливает п р о я в л е н и е
( и з м е н е н и е н а п р а в л е н н о с т и ) ряда х и м и ч е с к и х , ф и з и к о - х и м и ч е ­
ских, б и о х и м и ч е с к и х п р о ц е с с о в , в л и я н и е к о т о р ы х п р и в о д и т к су­
щ е с т в е н н ы м и з м е н е н и я м х и м и ч е с к о г о состава и м и н е р а л и з а ц и и
межпластовых вод второго гидрогеологического этажа.
Третий (нижний) гидрогеологический
этаж б а с с е й н о в п л а т ф о р ­
м е н н о г о т и п а п р е д с т а в л я е т с о б о й н а и б о л е е п о г р у ж е н н у ю часть
г и д р о г е о л о г и ч е с к о г о разреза, п о д з е м н ы е воды к о т о р о й в с о в р е ­
м е н н ы х условиях не и м е ю т о т к р ы т о й г и д р а в л и ч е с к о й связи с п о ­
верхностью бассейна.
В ряде бассейнов аналогичные условия залегания и формирования характерны
также для нижних водоносных горизонтов второю этажа внутренних областей
бассейна, где изоляция от современной поверхности определяется наличием мощ­
ных толщ перекрывающих слабопроницаемых пород и значительным удалением
от краевых зон питания артезианских вод.
П р е и м у щ е с т в е н н о е р а с п р о с т р а н е н и е в глубоких частях б а с с е й ­
нов с л а б о п р о н и ц а е м ы х пород и вероятность с у щ е с т в о в а н и я огра­
н и ч е н н ы х участков и субвертикальных зон с о т н о с и т е л ь н о более
высокой п р о н и ц а е м о с т ь ю о п р е д е л я ю т характерное
слоисто-блоко­
вое с т р о е н и е гидрогеологического разреза третьего этажа. В п р е ­
делах о т н о с и т е л ь н о и з о л и р о в а н н ы х б л о к о в этой с и с т е м ы д и н а м и ­
ка п о д з е м н ы х вод и б а л а н с б л о к а могут определяться р а з л и ч н ы м и
с о с т а в л я ю щ и м и : о с л а б л е н н ы м п р и т о к о м от областей с о в р е м е н н о ­
го п и т а н и я (см. второй э т а ж ) , п о с т у п л е н и е м глубинных ф л ю и д о в
из пород ф у н д а м е н т а , в о д а м и , о б р а з у ю щ и м и с я при д е г и д р а т а ц и и
породообразующих минералов, элизионным питанием, движени­
ем п о д з е м н ы х вод под д е й с т в и е м градиентов пластовых д а в л е н и й ,
связанных с возникновением и релаксацией тектонических на­
п р я ж е н и й , сработкой упругих з а п а с о в и др. В с в я з и с этим в п р е ­
делах каждого о т н о с и т е л ь н о и з о л и р о в а н н о г о блока в о з м о ж н о
ф о р м и р о в а н и е местных (внутриструктурных) потоков глубоких
п о д з е м н ы х вод с р а з л и ч н ы м и н а п р а в л е н и я м и д в и ж е н и я , градиен­
тами и с к о р о с т я м и .
Ф о р м и р о в а н и е региональной д и н а м и к и п о д з е м н ы х вод третьего
этажа в р е ш а ю щ е й с т е п е н и определяется у с л о в и я м и пластового и
межпластового взаимодействия с м е ж н ы х блоков, обеспечивающего
з а т р у д н е н н у ю с у б в е р т и к а л ь н у ю разгрузку глубоких а р т е з и а н с к и х
вод в верхние г о р и з о н т ы разреза, п о с к о л ь к у в о б щ е й гидродина-
http://geoschool.web.ru
Глава 10. А р т е з и а н с к и е б а с с е й н ы п л а т ф о р м е н н о г о т и п а
249
м и ч е с к о й схеме б а с с е й н а п л а т ф о р м е н н о г о т и п а его в н у т р е н н я я
область (по с о о т н о ш е н и ю н а п о р о в ) рассматривается как область
затрудненной рассредоточенной разгрузки глубоких напорных
п о д з е м н ы х вод.
Наиболее убедительным подтверждением существования в плас­
товых системах третьего (а в ряде случаев и н и ж н е й части второго)
этажа г и д р о д и н а м и ч е с к и и з о л и р о в а н н ы х б л о к о в я в л я ю т с я п р о ­
я в л е н и я так н а з ы в а е м ы х аномальных пластовых давлений ( А П Д ) ,
у с т а н о в л е н н ы е во м н о г и х а р т е з и а н с к и х б а с с е й н а х п л а т ф о р м е н ­
ного типа.
В этом случае с м е ж н ы е б л о к и пластовой с и с т е м ы или б л о к и
с м е ж н ы х пластовых систем характеризуются р а з л и ч н ы м и з н а ч е ­
н и я м и пластовых д а в л е н и й , величина которых и с о о т н о ш е н и я с
" н о р м а л ь н ы м и " г и д р о с т а т и ч е с к и м и д а в л е н и я м и (см. гл. 8) резко
и з м е н я ю т с я на о т н о с и т е л ь н о к о р о т к и х р а с с т о я н и я х ( р и с . Ю.6).
Н а и б о л е е часто п р и глубоком б у р е н и и на н е ф т я н ы х и газовых
структурах ф и к с и р у ю т с я так н а з ы в а е м ы е аномально высокие п л а с ­
товые д а в л е н и я ( А В П Д ) , з н а ч и т е л ь н о п р е в ы ш а ю щ и е н о р м а л ь н ы е
гидростатические. О д н а к о в отдельных а р т е з и а н с к и х бассейнах в
н а с т о я щ е е время у с т а н о в л е н ы участки и о б ш и р н ы е области с рез­
ким п р о я в л е н и е м аномально низких ( А Н П Д ) пластовых д а в л е н и й
(Ходьков, 1973; Б е л е ц к и й , 1975; и др.).
о
п, K M
о
0
Ki
Рис. 10.6. Проявления аномально высоких пластовых давлений (АВПД) в песчано-глинистых отложениях мел-палеоюна Воегочно-Предкавказского артезиан­
ского бассейна (по И.Г. Киссину, 1967). Стрелками показана величина напора
межпластовых вод. вскрытых буровыми скважинами. Цифры — абсолютные
отметки установившегося (расчетного) уровня межпластовых вод. м
http://geoschool.web.ru
250
Часть III. О с н о в ы р е г и о н а л ь н о й г и д р о г е о л о г и и
В о д о н о с н ы е г о р и з о н т ы третьего г и д р о г е о л о г и ч е с к о г о э т а ж а
(а также второго в глубоко п о г р у ж е н н ы х в н у т р е н н и х р а й о н а х б а с ­
с е й н а ) , к а к п р а в и л о , содержат в ы с о к о м и н е р а л и з о в а н н ы е воды и
рассолы хлоридно-натриевого состава, минерализация которых
для р а з л и ч н ы х б а с с е й н о в (участков бассейна) и з м е н я е т с я от м е ­
нее 20 д о 300—400 г/л и б о л е е . И з м е н е н и е м и н е р а л и з а ц и и в
столь ш и р о к о м д и а п а з о н е (более о д н о г о порядка!) о п р е д е л я е т с я
м н о г и м и п р и ч и н а м и (см. гл. 4). О д н а к о н а и б о л е е четко устанав­
л и в а е т с я с в я з ь в е л и ч и н ы м и н е р а л и з а ц и и глубоких а р т е з и а н с к и х
вод с составом (минералого-геохимическим
комплексом)
осадочных
пород разреза. Т а к , в бассейнах, где разрез осадочного чехла пред­
ставлен к о н т и н е н т а л ь н ы м и т о л щ а м и и о т л о ж е н и я м и морских б а с ­
сейнов нормальной солености (например, Западная Сибирь),
с р е д н я я м и н е р а л и з а ц и я глубоких а р т е з и а н с к и х вод, как п р а в и л о ,
не п р е в ы ш а е т 30—40 г/л с о п р е д е л е н н ы м и о т к л о н е н и я м и в ту
или и н у ю сторону. В б а с с е й н а х , где з н а ч и т е л ь н а я часть разреза
сложена галогенными т о л щ а м и (Приуралье, А н г а р о - Л е н с к и й реги­
он и др.), на тех ж е глубинах величина м и н е р а л и з а ц и и подземных
вод может достигать 300—400 г/л и более ( Е . В . П и н н е к е р и др.).
Д л я в ы с о к о м и н е р а л и з о в а н н ы х вод и р а с с о л о в третьего этажа
характерны, к а к п р а в и л о , р е з к о п о в ы ш е н н ы е с о д е р ж а н и я н е к о т о ­
рых к о м п о н е н т о в (I, В, Br, Sr), углеводородов ( С Н , С Н , С Н
и др.) и газов г л у б и н н о г о п р о и с х о ж д е н и я ( С 0 , Н е ) .
Ф о р м и р о в а н и е х и м и ч е с к о г о состава и м и н е р а л и з а ц и и п о д з е м ­
ных вод в г и д р о д и н а м и ч е с к и " з а к р ы т о й " системе третьего этажа
решающим образом связано также с условиями межпластового
( м е ж б л о к о в о г о ) в з а и м о д е й с т в и я п о д з е м н ы х вод. Н а л и ч и е т а к о г о
взаимодействия в течение геологически длительного времени (с уче­
том в о з м о ж н ы х и з м е н е н и й его интенсивности, направлений и др.)
д о л ж н о приводить к постепенному выравниванию состава и минера­
лизации подземных вод в смежных элементах пластовой системы.
О д н а к о во многих случаях этого не наблюдается. Э т о свидетель­
ствует о т о м , что г и д р о г е о х и м и ч е с к и й б а л а н с б л о к о в п л а с т о в о й
с и с т е м ы ф о р м и р у е т с я за счет р а з л и ч н ы х с о с т а в л я ю щ и х . В то же
время н а л и ч и е межблоковых
связей в в е р т и к а л ь н о м н а п р а в л е н и и
может являться причиной формирования гидрогеохимических
(а также гидрогеотермических и др.) а н о м а л и й , с в я з а н н ы х к а к с
процессами с м е ш е н и я вод разного состава, т а к и с х и м и ч е с к и м и и
ф и з и к о - х и м и ч е с к и м и процессами, в о з н и к а ю щ и м и при и з м е н е н и и
минералого-геохимического состава в о д о в м е щ а ю щ и х пород, плас­
товых температур и давлений (см. гл. 4). В условиях затрудненной
( м е д л е н н о й ) ф и л ь т р а ц и и в глубоких частях разреза б а с с е й н а в о з ­
м о ж н о относительное усиление в л и я н и я на ф о р м и р о в а н и е состава
4
2
http://geoschool.web.ru
3
8
4
1 ( )
Глава 10. А р т е з и а н с к и е б а с с е й н ы п л а т ф о р м е н н о г о т и п а
251
и м и н е р а л и з а ц и и м е ж п л а с т о в ы х вод р а з л и ч н ы х м е д л е н н ы х п р о ­
цессов: д и ф ф у з и я , о с м о с , п р о ц е с с ы д е г и д р а т а ц и и горных пород,
б и о х и м и ч е с к и е р е а к ц и и и д р . ( К р о т о в а , 1962; П и т ь е в а , 1974;
С м и р н о в , 1971; и др.).
Сочетание рассмотренных выше причин определяет измене­
ния (вплоть д о резко в ы р а ж е н н ы х гидрогеохимических а н о м а л и й )
состава и м и н е р а л и з а ц и и п о д з е м н ы х вод даже в с м е ж н ы х блоках
гидрогеологического разреза третьего этажа.
Гидродинамическая
и гидрогеохимическая
зональность
бассейна.
Учение о вертикальной зональности артезианских бассейнов
п л а т ф о р м е н н о г о т и п а ( а р т е з и а н с к и х вод) р а з р а б о т а н о в трудах
к р у п н ы х р о с с и й с к и х г и д р о г е о л о г о в Е.А. Б а с к о в а , П . Н . Б у т о в а ,
М.А. Гатальского, И . К . З а й ц е в а , Н . К . И г н а т о в и ч а , А.А. К а р ц е в а ,
Б . Л . Л и ч к о в а , Ф.А. М а к а р е н к о и других.
В соответствии с э т и м и п р е д с т а в л е н и я м и в разрезе а р т е з и а н ­
ских структур сверху в н и з и по п а д е н и ю пластов (с удалением от
"открытых" краевых зон) происходит закономерное ухудшение
условий водообмена ( п и т а н и я и разгрузки п о д з е м н ы х вод). С этим
с в я з а н о у м е н ь ш е н и е скоростей д в и ж е н и я п о д з е м н ы х вод, у в е л и ­
чение с р о к о в в о д о о б м е н а , а т а к ж е з а к о н о м е р н о е у в е л и ч е н и е м и ­
н е р а л и з а ц и и и и з м е н е н и е х и м и ч е с к о г о состава а р т е з и а н с к и х вод.
В современной гидрогеологической литературе обычно ис­
п о л ь з у ю т с я п р е д с т а в л е н и я Н . К . И г н а т о в и ч а (1944, 1947, 1950),
к о т о р ы й выделил в разрезе а р т е з и а н с к и х б а с с е й н о в сверху в н и з
три гидродинамические
з о н ы : активного водообмена,
затрудненного
в о д о о б м е н а и застойного
водного режима. Им примерно соот­
ветствуют т р и гидрогеохимические
з о н ы : пресных п о д з е м н ы х вод
гидрокарбонатного состава, солоноватых и соленых вод сульфатного
и с у л ь ф а т н о - х л о р и д н о г о состава и высокоминерализованных
вод и
рассолов х л о р и д н о г о состава.
Несмотря на длительное развитие и широкое использование учения о верти­
кальной гидродинамической и гидрогеохимической зональности артезианских
вод. многие положения этого учения до настоящего времени являются в значи­
тельной мере неопределенными. Это касается принципов и критериев выделения
вертикальных зон разреза, числа таких зон, их положения в разрезе структур раз­
ного типа, определения границ между выделяемыми зонами и др.
Основные положения гидродинамической зональности, отра­
ж а ю щ и е о б ш и е з а к о н о м е р н о с т и д в и ж е н и я а р т е з и а н с к и х вод на
различных уровнях гидрогеологического разреза, реализуются уже
при в ы д е л е н и и трех г и д р о г е о л о г и ч е с к и х э т а ж е й , я в л я ю щ и х с я
крупными стратификационно-гидродинамическими элементами
бассейна. О д н а к о исходя из р а с с м о т р е н н ы х в ы ш е з а к о н о м е р н о с ­
тей р е г и о н а л ь н о й д и н а м и к и и г и д р о г е о х и м и и а р т е з и а н с к и х вод
http://geoschool.web.ru
252
Часть III. О с н о в ы р е г и о н а л ь н о й г и д р о г е о л о г и и
в пределах двух верхних этажей могут б ы т ь в ы д е л е н ы характер­
ные г и д р о д и н а м и ч е с к и е г р а н и ц ы ( з о н ы ) , с в я з а н н ы е или с резки­
ми и з м е н е н и я м и условий на о п р е д е л е н н ы х уровнях разреза чехла,
или с постепенным у м е н ь ш е н и е м связи с п о в е р х н о с т ь ю б а с с е й н а
при у в е л и ч е н и и глубины залегания в о д о н о с н о г о горизонта и р а с ­
с т о я н и я от о т к р ы т о й п е р и ф е р и и бассейна.
В разрезе первого гидрогеологического этажа бассейна п о л о ж е ­
ние г р а н и ц ы , на которой п р о и с х о д и т резкое и з м е н е н и е условий
в о д о о б м е н а с с о в р е м е н н о й п о в е р х н о с т ь ю , определяется уровнем
э р о з и о н н о г о вреза с о в р е м е н н о й (иногда н е о г е н - ч е т в е р т и ч н о й
или более древней) гидрографической сети. В соответствии с
этим по кровле первого с л а б о п р о н и ц а е м о г о пласта, не в с к р ы т о г о
с о в р е м е н н о й или д р е в н е й э р о з и е й , может б ы т ь проведена г р а н и ­
ца двух с м е ж н ы х г и д р о д и н а м и ч е с к и х з о н , на которой п р о и с х о д и т
резкое ( с к а ч к о о б р а з н о е ) и з м е н е н и е условий в з а и м о д е й с т в и я м е ж ­
пластовых вод первого гидрогеологического этажа с с о в р е м е н н о й
п о в е р х н о с т ь ю б а с с е й н а (с г р у н т о в ы м и и п о в е р х н о с т н ы м и вода­
ми). Для всех водоносных горизонтов верхней гидродинамической
з о н ы в с о в р е м е н н ы х условиях принципиально
возможна о т к р ы т а я
(свободная) связь с ф у н т о в ы м и и п о в е р х н о с т н ы м и водами. В этом
случае (без учета и з м е н е н и я ф и л ь т р а ц и о н н ы х с в о й с т в р а з р е з а ,
которые могут б ы т ь с у щ е с т в е н н о р а з л и ч н ы м и ) о с н о в н ы е з а к о н о ­
мерности д и н а м и к и м е ж п л а с т о в ы х вод ( р а с п р е д е л е н и е удельных
величин п и т а н и я и разгрузки, с к о р о с т и д в и ж е н и я , с р о к и в о д о о б ­
мена и др.) будут определяться н а л и ч и е м и п о л о ж е н и е м участков
с открытой (свободной) гидравлической связью с поверхностью.
В соответствии с у с л о в и я м и верхней з о н ы и п р и н я т о й т е р м и ­
нологией ( Н . К . И г н а т о в и ч ) о н а д о л ж н а рассматриваться к а к з о н а
интенсивного (свободного) водообмена (рис. 10.7,/).
Д л я в о д о н о с н ы х г о р и з о н т о в второй г и д р о д и н а м и ч е с к о й з о н ы
п е р в о г о этажа п р и н ц и п и а л ь н о н е в о з м о ж н а " о т к р ы т а я " с в я з ь с
п о в е р х н о с т ь ю (кроме участков с " г и д р о г е о л о г и ч е с к и м и о к н а м и " ,
которые я в л я ю т с я л о к а л ь н ы м м е с т н ы м ф а к т о р о м и не могут у ч и ­
тываться в о б щ е й схеме). П и т а н и е и разгрузка м е ж п л а с т о в ы х вод
о с у щ е с т в л я ю т с я путем затруднений в е р т и к а л ь н о й ф и л ь т р а ц и и че­
рез с л а б о п р о н и ц а е м ы е п л а с т ы . И с х о д я из схемы А . Н . М я т и е в а
(см. гл. 8) в этом случае о с н о в н о й з а к о н о м е р н о с т ь ю будет я в л я т ь ­
ся (при прочих р а в н ы х условиях) ухудшение условий в о д о о б м е н а
в в е р т и к а л ь н о м н а п р а в л е н и и . П р и этом з а т р у д н е н н о с т ь в о д о о б ­
мена постепенно возрастает с увеличением глубины залегания
и увеличением суммарной мощности перекрывающих слабопро­
н и ц а е м ы х пород. В соответствии с и з л о ж е н н ы м в ы ш е вторая гид­
родинамическая зона верхнего этажа должна рассматриваться
http://geoschool.web.ru
Глава 10. А р т е з и а н с к и е б а с с е й н ы п л а т ф о р м е н н о г о т и п а
253
-160 А:
-240 Нл=.
-320
Рис. 10.7. Схема зональности первого гидрогеологического этажа центральной
части Западно-Сибирской артезианской области (гидрогеологический разрез, по
Р.П. Глушко, 1963): 1 — песчано-гравийные отложения; 2 — песчано-глинистые; 3 — преимущественно песчаные; 4 — слабопроницаемые глинистые; 5 —
нижняя граница первого гидрогеологического этажа; 6 — границы, 7 — номера
гидродинамических зон
как переходная з о н а с относительно
затрудненным
водообменом
(рис. 10.7, 2; 10.8).
В разрезе второго г и д р о г е о л о г и ч е с к о г о э т а ж а с в я з ь в о д о н о с ­
ных г о р и з о н т о в с с о в р е м е н н о й п о в е р х н о с т ь ю и м е е т п л а с т о в ы й
характер и п о с т е п е н н о ухудшается (затрудняется) с удалением от
открытой п е р и ф е р и и бассейна. Характер и з м е н е н и я э м п и р и ч е с к и х
кривых расхода пластовых п о т о к о в (см. рис. 10.5) показывает, что
в н а п р а в л е н и и от п е р и ф е р и и к внутренней области бассейна м о ­
гут б ы т ь в ы д е л е н ы три г и д р о д и н а м и ч е с к и е з о н ы с р а з л и ч н ы м и
з а к о н о м е р н о с т я м и д в и ж е н и я м е ж п л а с т о в ы х вод. В пределах п е р ­
вой з о н ы ( к р а е в а я о б л а с т ь п и т а н и я ) д в и ж е н и е п о д з е м н ы х вод
ф о р м и р у е т с я под в л и я н и е м местных ф а к т о р о в при о т к р ы т о м ха­
рактере г и д р а в л и ч е с к о й связи в о д о н о с н ы х г о р и з о н т о в с верхней
границей с и с т е м ы , что соответствует условиям з о н ы
интенсивного
(свободного) в о д о о б м е н а (/).
http://geoschool.web.ru
Часть III. Основы региональной гидрогеологии
254
Тиманская
складчатая
область
абс. отм., м
Краевая зона
Печорский бассейн
Внутренняя область бассейна
Рис 10.8. Схема гидродинамической зональности юго-западного борта Печор­
ского артезианского бассейна: / — водоносный комплекс четвертичных отложе­
ний; 2 — верхне-среднеюрских; 3 — каменноугольных и пермских отложений;
слабопроницаемые породы: 4 — нижнемелового—среднеюрского возраста; 5 —
триасового возраста; 6 — граница первого этажа бассейна; 7 — границы гидро­
динамических зон; 8 — направления движения подземных вод; 9 — скважины,
цифры: внизу — минерализация подземных вод (г/л), вверху — глубина устано­
вившегося уровня (м)
Во второй зоне (краевая область разгрузки) п р о и с х о д и т посте­
пенное с о к р а щ е н и е расходов пластовых п о т о к о в и скоростей д в и ­
ж е н и я межпластовых вод, с чем связано соответствующее увеличе­
ние сроков водообмена. О с н о в н ы м видом д в и ж е н и я является здесь
затрудненная вертикальная разгрузка подземных вод в водоносные
горизонты верхнего гидрогеологического этажа. В соответствии с
этим вторая г и д р о д и н а м и ч е с к а я з о н а может рассматриваться как
переходная зона (2) относительно затрудненного в о д о о б м е н а ( п е р е ­
ходная от условий о т к р ы т о й п е р и ф е р и и к условиям внутренней
п о г р у ж е н н о й области б а с с е й н а ) .
В ц е н т р а л ь н о й части б а с с е й н а п о л о ж е н и е н и ж н е й г р а н и ц ы
зоны интенсивного водообмена в р е ш а ю щ е й степени определяется
м о щ н о с т ь ю и строением разреза первого этажа, глубина залегания
н и ж н е й г р а н и ц ы з о н ы о б ы ч н о не п р е в ы ш а е т 300—400 м (часто
м е н ь ш е ) . В краевой части б а с с е й н а в з а в и с и м о с т и от ее с т р о е н и я
м о щ н о с т ь зоны и н т е н с и в н о г о водообмена может достигать 1000 м
и более ( З а п а д н а я С и б и р ь и д р . ) . О д н а к о п р и т р а н с г р е с с и в н о м
с т р о е н и и п е р и ф е р и и б а с с е й н а зона и н т е н с и в н о г о в о д о о б м е н а в
о т л о ж е н и я х второго этажа может п р а к т и ч е с к и отсутствовать (на­
личие только внешней области питания). Ш и р и н а переходной
з о н ы в о т л о ж е н и я х второго этажа з а в и с и т от структурных уело-
http://geoschool.web.ru
Глава 10. А р т е з и а н с к и е б а с с е й н ы п л а т ф о р м е н н о г о т и п а
255
вий к о н к р е т н ы х участков и даже в пределах одного б а с с е й н а м о ­
жет и з м е н я т ь с я от 10 д о 200 км и более.
В о д о н о с н ы е г о р и з о н т ы второго г и д р о г е о л о г и ч е с к о г о э т а ж а в
пределах внутренней области бассейна и третьего этажа характери­
зуются о б щ и м условием — практическим отсутствием притока из
краевых областей с о в р е м е н н о г о питания артезианских вод. В связи
с этим они обычно рассматриваются как единая гидродинамиче­
ская зона (затрудненного или весьма з а т р у д н е н н о г о в о д о о б м е н а ) .
О д н а к о это не совсем верно, поскольку, как правило, структура
потоков п о д з е м н ы х вод (распределение пластовых д а в л е н и й , н а ­
правления д в и ж е н и я , градиенты) в отложениях второго и третьего
этажей характеризуются с у щ е с т в е н н ы м и р а з л и ч и я м и . В в о д о н о с ­
ных горизонтах второго этажа р а с п р е д е л е н и е н а п о р о в (пластовых
давлений) свидетельствует о существовании малоградиентных регио­
нальных потоков подземных вод, с в я з а н н ы х с п о л о ж е н и е м регио­
нальных областей п и т а н и я и разгрузки. Г р а д и е н т ы л а т е р а л ь н ы х
потоков обычно составляют величины порядка л • ( Ю — Ю ) ,
скорости д в и ж е н и я (вне зон с п о в ы ш е н н о й п р о н и ц а е м о с т ь ю ) и з ­
м е р я ю т с я д е с я т ы м и д о л я м и м и л л и м е т р а и м и л л и м е т р о в в год
(М.А. Гатальский, А . И . С и л и н - Б е к ч у р и н и др.). В связи с э т и м
м о ж н о считать, что для в о д о н о с н ы х г о р и з о н т о в второго этажа в
пределах внутренней области б а с с е й н а характерны весьма затруд­
ненные условия ( с о в р е м е н н о г о ) в о д о о б м е н а (3).
- 5
- 4
Д л я в о д о н о с н ы х г о р и з о н т о в третьего этажа ц е н т р а л ь н о й части
бассейна характерно незакономерное ( н е у п о р я д о ч е н н о е ) р а с п р е д е ­
л е н и е пластовых д а в л е н и й , резкие и з м е н е н и я их величин на к о ­
ротких расстояниях, наличие р а з н о н а п р а в л е н н ы х градиентов и т.п.
Это с в я з а н о с с у щ е с т в о в а н и е м " п л а с т о в о - б л о к о в о й " с и с т е м ы (см.
выше), определяющей формирование местного
внутриструктурного д в и ж е н и я п о д з е м н ы х в о д .
В с в я з и с т е м , что д л я п л а с т о в о - б л о к о в о й с и с т е м ы н и ж н е г о
этажа а р т е з и а н с к и х б а с с е й н о в п л а т ф о р м х а р а к т е р н о н а л и ч и е а н о ­
м а л ь н ы х п л а с т о в ы х д а в л е н и й , в т о м ч и с л е аномально
высоких,
и н о г д а п р е в ы ш а ю щ и х геостатические
д а в л е н и я (см. р и с . 10.6),
существуют предложения о выделении этой части разреза в качест­
ве г и д р о д и н а м и ч е с к и й зоны геостатического или литостатического
режима п о д з е м н ы х вод (А.А. К а р ц е в , Ю.В. М у х и н , А.Е. Х о д ь к о в
и др.). О д н а к о по и м е ю щ и м с я д а н н ы м в пределах н и ж н и х частей
1
1
Следует отметить, что при определенном строении разреза в водоносных го­
ризонтах третьего этажа вблизи краевых зон бассейна возможно ограниченное
проявление региональных потоков глубоких подземных вод. В то же время в
наиболее погруженных областях бассейна в нижней части разреза второго этажа
возможно проявление пластово-блоковой системы.
http://geoschool.web.ru
256
Часть III. О с н о в ы р е г и о н а л ь н о й г и д р о г е о л о г и и
б а с с е й н о в ф и к с и р у ю т с я не т о л ь к о а н о м а л ь н о в ы с о к и е , н о и ано­
мально низкие пластовые д а в л е н и я . К р о м е того, а н о м а л ь н о в ы с о ­
кие пластовые д а в л е н и я , по с у щ е с т в у ю щ и м п р е д с т а в л е н и я м ( Д ю н и н , 2001), могут б ы т ь с в я з а н ы не т о л ь к о с у п л о т н е н и е м горных
пород под действием геостатического давления и отжатием п о р о вых вод, но и с другими ф а к т о р а м и в о с н о в н о м эндогенной природы.
В связи с этим н и ж н ю ю часть разреза а р т е з и а н с к о г о бассейна, в
которой ф и к с и р у е т с я н е у п о р я д о ч е н н о е р а с п р е д е л е н и е пластовых
д а в л е н и й , п р а в и л ь н е е р а с с м а т р и в а т ь в качестве г и д р о д и н а м и ч е ­
с к и й зоны эндогенного р е ж и м а п о д з е м н ы х вод (4).
Гидродинамические условия третьего гидрогеологического этажа,
иногда н и ж н и х частей второго (отсутствие связи с с о в р е м е н н ы м и
областями питания, затрудненная субвертикальная фильтрация,
н а л и ч и е участков с ч р е з в ы ч а й н о м а л ы м и с к о р о с т я м и д в и ж е н и я
или з а с т о й н ы м р е ж и м о м п о д з е м н ы х вод и др.) я в л я ю т с я н а и б о ­
лее б л а г о п р и я т н ы м и для ф о р м и р о в а н и я и с о х р а н е н и я в течение
д л и т е л ь н о г о в р е м е н и м е с т о р о ж д е н и й н е ф т и и газа. И м е ю щ и й с я
о п ы т разведки и э к с п л у а т а ц и и свидетельствует о т о м , что б о л ь ­
шинство крупных нефтегазоносных областей и месторождений
с в я з а н о и м е н н о с э т и м и и н т е р в а л а м и разреза б а с с е й н о в п л а т ф о р ­
м е н н о г о типа. В то же время и м е ю щ и е с я д а н н ы е , в частности по
центральной части З а п а д н о - С и б и р с к о й артезианской области,
свидетельствуют о том, что практически во всех случаях н е ф т я н ы е
месторождения приурочены к зоне неупорядоченного распределе­
ния пластовых давлений (4-я гидродинамическая зона эндогенного
р е ж и м а п о д з е м н ы х вод).
О б щ а я схема г и д р о д и н а м и ч е с к о й з о н а л ь н о с т и б а с с е й н а п р и в е ­
д е н а на р и с . 10.9. П о д о б н а я с х е м а в п р и н ц и п е х а р а к т е р н а не
т о л ь к о для к л а с с и ч е с к и х м у л ь д о о б р а з н ы х структур, я в л я ю щ и х с я
тектонотипом
а р т е з и а н с к о г о б а с с е й н а , но и для а с и м м е т р и ч н о
п о с т р о е н н ы х структур, м о н о к л и н а л ь н о п о г р у ж а ю щ и х с я с к л о н о в
и др. Естественно, что при этом тип структуры и с т р о е н и е ее р а з ­
реза о п р е д е л я ю т с у щ е с т в е н н ы е и з м е н е н и я к о н ф и г у р а ц и и г и д р о ­
д и н а м и ч е с к и х з о н , п о л о ж е н и я их г р а н и ц , м о щ н о с т и и др.
Гидрогеохимическая
зональность а р т е з и а н с к и х б а с с е й н о в плат­
форменного типа отражает общие закономерности изменения
состава и м и н е р а л и з а ц и и артезианских вод с увеличением глубины
з а л е г а н и я и у д а л е н и е м от " о т к р ы т о й " п е р и ф е р и и к в н у т р е н н е й
п о г р у ж е н н о й области б а с с е й н а ( В . И . В е р н а д с к и й , И . К . З а й ц е в ,
Н . К . И г н а т о в и ч , Е.В. П о с о х о в и др.). " Н о р м а л ь н ы м " считается
г и д р о г е о х и м и ч е с к и й разрез б а с с е й н а , в к о т о р о м снизу вверх м о ­
гут б ы т ь в ы д е л е н ы три г и д р о г е о х и м и ч е с к и е з о н ы : 1 — п р е с н ы х
http://geoschool.web.ru
Глава 10. А р т е з и а н с к и е б а с с е й н ы п л а т ф о р м е н н о г о т и п а
Области питания
257
Области питания
Внутрен­
няя
Внеш­
няя
^+
Рис. 10.9. Принципиальная гидродинамическая схема артезианского бассейна
платформенного типа: / — слоистые системы водоносных горизонтов (комплек­
сов) трех гидрогеологических этажей бассейна; 2 — региональные слабопрони­
цаемые толщи; J — номера гидрогеологических этажей; 4 — границы и номера
гидродинамических зон; 5 — зоны тектонических нарушений; 6 — система "мест­
ных" и 7 — региональных потоков подземных вод; 8 — субвертикальная фильтра­
ция через слабопроницаемые породы; 9 — "внутренние" источники питания под­
земных вод (элизионные процессы, дегидратация, приток глубинных флюидов);
10 — породы обрамления и фундамента
(до 1,0 г/л) п о д з е м н ы х вод г и д р о к а р б о н а т н о г о к а л ь ц и е в о г о (кальц и е в о - м а г н и е в о г о ) состава, 2 — с о л о н о в а т ы х и с о л е н ы х вод суль­
фатного ( с у л ь ф а т н о - х л о р и д н о г о ) состава, 3 — р а с с о л о в х л о р и д н о ­
го натриевого состава с м и н е р а л и з а ц и е й д о 300—400 г/л и более
(И.К. З а й ц е в , Е.В. П о с о х о в и др.).
Классические представления о природе формирования гидрогеохимических
условий (зональности) артезианских бассейнов всегда исходили из предпосылки
об их тесной связи с закономерностями региональной динамики артезианских
вод (М.А. Гатальский, Н.К. Игнатович, Ф.А. Макаренко, А.И. Силин-Бекчурин
и др.). Наиболее полно это положение сформулировал Н.К. Игнатович (1944,
1950), который считал, что трем гидродинамическим зонам разреза бассейна (см.
выше) соответствуют три гидрогеохимические зоны: гидрокарбонатных, сульфат­
ных и хлоридных подземных вод. Однако вслед за этим (Гатальский, 1954) было
показано, что даже в условиях одного бассейна гидрогеохимические показатели
гидродинамических зон могут изменяться в широком диапазоне. При сравнении
гидрогеохимических разрезов различных артезианских бассейнов эта законо­
мерность проявляется еще более резко как по распределению величины мине­
рализации, так и по содержанию и соотном1ению основных компонентов состава
(рис. 10.10. табл. 10.1).
http://geoschool.web.ru
Часть III. О с н о в ы р е г и о н а л ь н о й г и д р о г е о л о г и и
258
Минерализация, г/л
н
О
т
100
1
1
200
1
1
Соленость, %о
D
300
г
0
100
200
300
400
500
Рис. 10.10. Характер изменения ми­
нерализации артезианских вод с глу­
биной залегания: А — артезианские
бассейны России: / — Сев. Сахалин;
2 — З а п а д н о - С и б и р с к и й бассейн;
3 — Восточно-Предкавказский; 4 —
Днепровско-Донецкий; 5 — ВолгоКамский; 6 — Ангаро-Ленский (Капченко, 1972); Б — артезианские бас­
сейны США (Напог, 1987)
5 L ' - » - Морская вода
Т а к и м о б р а з о м , м о ж н о считать, что о с н о в н ы м и п о к а з а т е л я м и
г и д р о г е о х и м и ч е с к о й з о н а л ь н о с т и п р и н о р м а л ь н о м т и п е разреза
я в л я ю т с я : 1) з а к о н о м е р н о е у в е л и ч е н и е м и н е р а л и з а ц и и п о д з е м ­
ных вод с глубиной от менее 1,0 д о 20—50 г/л во второй з о н е и
д о 300—300 г/л и более в третьей; 2) о д н о в р е м е н н о с ростом м и ­
н е р а л и з а ц и и — и з м е н е н и е х и м и ч е с к о г о состава п о д з е м н ы х вод от
г и д р о к а р б о н а т н о г о к с у л ь ф а т н ы м ( с у л ь ф а т н о - х л о р и д н ы м ) и далее
к х л о р и д н ы м ; 3) о п р е д е л е н н о е с о п о д ч и н е н и е г и д р о г е о х и м и ч е ­
ских и г и д р о д и н а м и ч е с к и х з о н разреза, п р о я в л я ю щ е е с я в ф о р м и ­
р о в а н и и п р е с н ы х г и д р о к а р б о н а т н ы х вод главным о б р а з о м в зоне
и н т е н с и в н о г о в о д о о б м е н а , с о л о н о в а т ы х и с о л е н ы х (до 2—5 г / л ) ,
с у л ь ф а т н ы х и с у л ь ф а т н о - х л о р и д н ы х в зоне з а т р у д н е н н о г о в о д о ­
о б м е н а первого этажа и в п е р е х о д н о й зоне второго, р а с п р о с т р а ­
н е н и е с о л е н ы х х л о р и д н ы х вод и р а с с о л о в с м и н е р а л и з а ц и е й д о
300—400 г/л и более в зонах весьма з а т р у д н е н н о г о в о д о о б м е н а и
э н д о г е н н о г о р е ж и м а п о д з е м н ы х вод.
http://geoschool.web.ru
СО
izzz о о
1 о U«п
т
со
я се ™
" и
СЛ
1 '
I
i.-u
Deb?
? 2
СП
О П сл
* 1 с? СО СЛ
f l z
1
8= 0
1
о'
^
я
Z
я
о
и
г-
1
и
я"
z
http://geoschool.web.ru
О
ГЧ
оо
»о
ГЧ
и
Cl-Ca, Na
Cl-Na, Ca
Cl-Mg, Ca
0
о
О О О
О О О
чо гч г -
CQ
1
СО
1
i
Я
чО с")
тт
~
и
я
о
!
о чо
CQ
Примечание: " Зона пресных вод отсутствует на участках поверхностного распространения гипсов (загипсованных пород и на
участках интенсивного испарения и засоления грунтовых вод. ** Гидрокарбонатные воды с различным катионным составом,
сульфатные воды с различным катионным составом.
Вг—1950
1-7,0
Sr-1000
СП
1
максимальное содер­
жание микрокомпо­
нентов, мг/кг
Z
1
максимальная мине­
рализация, г/кг
1 ОсЗ
0,10-0,35
о> 1
Cl-Ca, Na
о'
•
Рассолов с минерализаци­
ей более 35 г/кг (зона В)
1
^ я
u i
2.0-4,0
-z z
я
мощность зоны, км
Z
я
химический состав
подземных вод
о
химический состав
Соленых вод с минерали­ подземных вод
зацией от 1,0 до 35 г/кг
(зона Б)
максимальные содер­
жания микрокомпо­
нентов, мг/кг
Чб
0,1-0,9
о'
0,01-0,60
*я *
0,01-1,0
Ангаро-Ленский
о
мощность зоны, км
S
0,05-0,30
о
0,01*—2,1
Артезианские бассейны
Западно-Сибирский
о
CQ
О
*
0,10*—0,40
Гидрокарбонатные воды
различного катионного состава
Печорский
*
мощность зоны, км
Пресных подземных вод
с минер&чизацией менее химический состав
подземных вод
1 г/кг (зона А)
Гидрогеохимическая зона бассейна
Характеристика гидрогеохимического разреза (зональности) артезианских бассейнов
платформенного типа (по И. К. Зайцеву, 1986)
Глава 10. А р т е з и а н с к и е б а с с е й н ы п л а т ф о р м е н н о г о т и п а
259
260
Часть III. О с н о в ы р е г и о н а л ь н о й г и д р о г е о л о г и и
В то же время, к а к б ы л о у к а з а н о в ы ш е (см. 10.2), уровень м и ­
н е р а л и з а ц и и а р т е з и а н с к и х вод и з а к о н о м е р н о с т и ее и з м е н е н и я в
разрезе б а с с е й н а в з н а ч и т е л ь н о й с т е п е н и о п р е д е л я ю т с я м и н е р а лого-геохимическим комплексом водоносных и слабопроницае­
мых пород.
Ф о р м и р о в а н и е гидрогеохимической зональности (увеличение
м и н е р а л и з а ц и и и и з м е н е н и е х и м и ч е с к о г о состава а р т е з и а н с к и х
вод с глубиной) с в я з ы в а ю т с р а з л и ч н ы м и п р и ч и н а м и . С р е д и них
м о ж н о назвать: 1) гипотезу э н д о г е н н о г о п р о и с х о ж д е н и я (А. З ю с с ,
В.А. Кротова и д р . ) , с в я з ы в а ю щ у ю ф о р м и р о в а н и е х л о р и д н ы х р а с ­
с о л о в с п о с т у п л е н и е м ф л ю и д о в из м а н т и и ; 2) с е д и м е н т о г е н н у ю
гипотезу ( М . Г . В а л я ш к о , И . К . З а й ц е в и д р . ) , п о которой в ы с о к о ­
к о н ц е н т р и р о в а н н ы е растворы х л о р к а л ь ц и е в о г о т и п а ( п о В.А. С у лину) являются захороненной рапой древних солеродных бас­
с е й н о в ; 3) гипотезу " п о д з е м н о г о и с п а р е н и я " ( М . Е . А л ь т о в с к и й ) ;
4) гипотезу г р а в и т а ц и о н н о г о р а с п р е д е л е н и я и о н о в ( К . В . Ф и л а ­
тов), согласно которой " т я ж е л ы е " ионы (Са, M g , Ва, Fe) н а к а п л и ­
ваются в погруженных частях бассейна, а наиболее легкие ( Н С 0
и др.) — в верхних частях; 5) гипотезу " т р а н с л я ц и о н н о г о " п е р е ­
р а с п р е д е л е н и я и о н о в (О.Я. С а м о й л о в , Д . С . С о к о л о в ) ; 6) гипотезу
" м е м б р а н н о г о э ф ф е к т а " и д р . Н а и б о л е е в е р о я т н о , что ф и к с и р у е ­
мые проявления вертикальной гидрогеохимической зональности
являются результатом комплексного воздействия многих про­
цессов, которые п р о и с х о д и л и в т е ч е н и е геологически
длительных
п е р и о д о в в з а и м о д е й с т в и я п о д з е м н ы х вод с г о р н ы м и п о р о д а м и ,
газами и о р г а н и ч е с к и м веществом (см. гл. 4).
Наряду с " н о р м а л ь н ы м " т и п о м г и д р о г е о х и м и ч е с к о г о разреза в
а р т е з и а н с к и х бассейнах ш и р о к о р а с п р о с т р а н е н ы т а к н а з ы в а е м ы е
" и н в е р с и о н н ы е " разрезы, в которых в т о й или и н о й мере нару­
шается о б щ а я з а к о н о м е р н о с т ь и з м е н е н и я х и м и ч е с к о г о состава и
м и н е р а л и з а ц и и п о д з е м н ы х вод с глубиной (см. р и с . 10.10).
3
Наиболее изучены гидрогеохимические "инверсии", формирующиеся в крае­
вых частях артезианских бассейнов в условиях континентального засоления грун­
товых вод. Широкое развитие процессов испарения грунтовых вод и континен­
тального засоления приводят (см. гл. 4) к формированию непосредственно в
грунтовом горизонте аридных территорий высокоминерализованных хлоридных
вод и рассолов (до 100—150 г/л). Вниз по разрезу в межпластовых горизонтах
первого этажа (иногда и второго) по мере увеличения изоляции от засоленных
грунтовых вод происходит постепенное уменьшение минерализации подземных
вод и соответственное изменение их состава. В отдельных случаях при наличии в
разрезе выдержанных пластов слабопроницаемых пород непосредственно под
высокоминерализованными грунтовыми водами хлоридного состава скважины
вскрывают пресные и слабосолоноватые (до 1,5—2.0 г/л) воды гидрокарбонатно-
http://geoschool.web.ru
Глава 10. А р т е з и а н с к и е б а с с е й н ы п л а т ф о р м е н н о г о т и п а
261
сульфатного, сульфатного и другого состава, области питания которых расположе­
ны вне участков интенсивного испарения и засоления грунтовых вод (см. гл. 13).
Ниже по разрезу, как правило, восстанавливается '"нормальная" гидрогеохими­
ческая зональность с увеличением минерализации межпластовых вод с глубиной
залегания.
А н а л о г и ч н ы е п р о я в л е н и я гидрогеохимических " и н в е р с и й " воз­
м о ж н ы также при р а с п р о с т р а н е н и и в верхней части разреза гор­
ных пород с в ы с о к и м содержанием легкорастворимых соединений
S O и СГ (гипс-ангидритовые толши, отложения современных и
верхнечетвертичных морских террас, котловины крупных соленых
озер и др.).
В глубоких (от 200—400 д о 2500—3000 м и более) частях гид­
рогеологического разреза артезианских бассейнов п л а т ф о р м е н н о г о
типа и крупных межгорных впадин (см. гл. 11.2) ш и р о к о распрост­
ранены проявления инверсионной зональности, связанные с за­
леганием под з о н о й в ы с о к о м и н е р а л и з о в а н н ы х (до 100—250 г/л и
более) х л о р и д н ы х вод менее м и н е р а л и з о в а н н ы х в ы с о к о к а р б о н а т ­
ных вод C I — H C 0 — N a и даже H C 0 — C I — N a состава. Д л я этих
вод х а р а к т е р н а в ы с о к а я к о н ц е н т р а ц и я к а р б о н а т н ы х а н и о н о в
( с у м м а р н о е с о д е р ж а н и е Н С 0 + С 0 " д о 20—30 г / л ) , отсутствие
или м и н и м а л ь н ы е к о н ц е н т р а ц и и S O " и С а , в ы с о к и е к о н ц е н т ­
р а ц и и I, В, N H . Ф о р м и р о в а н и е п о д з е м н ы х вод д а н н о г о х и м и ­
ческого состава о б ы ч н о с в я з ы в а ю т с н а л и ч и е м в горных породах
значительных с о д е р ж а н и й о р г а н и ч е с к и х веществ и д е я т е л ь н о с т ь ю
с у л ь ф а т р е д у ц и р у ю щ и х м и к р о о р г а н и з м о в ( К р а й н о в и др., 2004).
2 -
3
3
2
3
2
2 +
4
Поскольку подземные воды данного типа генетически связаны с породами,
относительно обогащенными органическим веществом, их наличие рассматрива­
ется как поисковый признак нефтегазоносное™.
Однако ф о р м и р о в а н и е в ряде случаев ( З а п а д н о - С и б и р с к и й
бассейн и др.) на з н а ч и т е л ь н ы х глубинах (до 2500—3000 м и б о ­
лее) в ы с о к о к а р б о н а т н ы х вод с м и н е р а л и з а ц и е й 10 г/л и менее п о
с у щ е с т в у ю щ и м п р е д с т а в л е н и я м в о з м о ж н о т о л ь к о при " р а з б а в л е ­
н и и " м а л о м и н е р а л и з о в а н н ы м и в о д а м и ( К р а й н о в и д р . , 2004).
При о т н о с и т е л ь н о н е б о л ь ш и х ( п е р в ы е с о т н и м е т р о в ) глубинах
залегания такое р а з б а в л е н и е может б ы т ь с в я з а н о с поступлением
с о в р е м е н н ы х и л и д р е в н е и н ф и л ь т р а ц и о н н ы х вод. В глубоких ч а с ­
тях разреза р а з б а в л е н и е может б ы т ь с в я з а н о с отжатием м а л о м и ­
н е р а л и з о в а н н ы х с в я з а н н ы х вод г л и н и с т ы х пород (см. гл. 2), с в о ­
дами, ф о р м и р у ю щ и м и с я при дегидратации породообразующих
м и н е р а л о в , или с п о с т у п л е н и е м п а р о в о д я н ы х ф л ю и д о в из пород
фундамента.
http://geoschool.web.ru
Часть III. О с н о в ы р е г и о н а л ь н о й г и д р о г е о л о г и и
262
Вопросы к главе 10
1. Строение гидрогеологического
разреза артезианских
бассейнов
платформенного
типа.
2. Гидрогеологические
этажи
бассейна.
3. Условия формирования
подземных вод первого
гидрогеологиче­
ского этажа.
4. Региональная
динамика подземных вод второго
гидрогеологи­
ческого этажа.
5. Гидродинамическая
зональность
бассейна.
5. Современные представления
о формировании
подземных вод в
гидродинамической
зоне "эндогенного
режима".
1. Гидрогеохимическая
зональность
бассейнов
платформенного
типа.
Глава
11
ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ МАССИВЫ
И СКЛАДЧАТЫЕ ОБЛАСТИ
Гидрогеологические м а с с и в ы и складчатые ( г о р н о - с к л а д ч а т ы е )
области как т и п гидрогеологического р а й о н а в о т л и ч и е от а р т е з и ­
а н с к и х б а с с е й н о в характеризуются о д н о й о б щ е й о с о б е н н о с т ь ю —
преимущественным распространением трещинных типов подзем­
ных вод. На о с н о в а н и и этого сходства о н и иногда р а с с м а т р и в а ­
ются к а к г и д р о г е о л о г и ч е с к и е р а й о н ы единого с к л а д ч а т о г о т и п а
( З а й ц е в , 1986). О д н а к о в связи с с у щ е с т в е н н ы м и р а з л и ч и я м и у с ­
л о в и й ф о р м и р о в а н и я п о д з е м н ы х вод такое о б ъ е д и н е н и е н е о п р а в ­
данно. Гидрогеологические массивы, являющиеся структурами,
с л о ж е н н ы м и главным образом д р е в н и м и кристаллическими п о р о ­
дами (другие т и п ы пород, в том числе рыхлые осадочные породы,
п е р е к р ы в а ю щ и е в ряде случаев кристаллические образования
фундамента, имеют, как правило, резко меньшее распростране­
ние), характеризуются п р е и м у щ е с т в е н н ы м р а с п р о с т р а н е н и е м гео­
ф и л ь т р а ц и о н н ы х сред магматического
и метаморфогенного
типов.
С к л а д ч а т ы е области в о т л и ч и е от м а с с и в о в характеризуются ч р е з ­
в ы ч а й н о с л о ж н ы м с т р у к т у р н ы м п л а н о м , п р и ч е м с о с е д н и е струк­
туры (11—111 и более в ы с о к и х п о р я д к о в ) могут б ы т ь с л о ж е н ы гор­
н ы м и п о р о д а м и р а з л и ч н о г о возраста и состава. В с в я з и с э т и м
т и п ы г е о ф и л ь т р а ц и о н н о й среды могут р е з к о и з м е н я т ь с я на о т н о ­
с и т е л ь н о к о р о т к и х р а с с т о я н и я х . Наряду с м а г м а т и ч е с к и м и и м е -
http://geoschool.web.ru
Глава 1 1 . Г и д р о г е о л о г и ч е с к и е м а с с и в ы и складчатые о б л а с т и
263
т а м о р ф о г е н н ы м и ш и р о к о е р а с п р о с т р а н е н и е и м е ю т с р е д ы седиментогенно-трещинного
типа (складчато-экзогенный подтип), а в
н е к о т о р ы х случаях ( К а в к а з , Урал и др.) также среды
карстового
типа. В пределах внутригорных и межгорных впадин, достигающих
иногда к р у п н ы х р а з м е р о в , в верхней части разреза на з н а ч и т е л ь ­
ную м о щ н о с т ь могут б ы т ь р а с п р о с т р а н е н ы т а к ж е среды седиментогенного парового типа. И з м е н е н и е т и п а среды во всех случаях
обусловливает определенные, иногда достаточно резкие, изменения
т и п о в п о д з е м н ы х вод и условий их ф о р м и р о в а н и я .
11.1. Гидрогеологические массивы
Гидрогеологические м а с с и в ы , как б ы л о с к а з а н о в ы ш е , с в я з а н ы
с г е о л о г и ч е с к и м и с т р у к т у р а м и , в пределах к о т о р ы х н е п о с р е д с т ­
венно с поверхности распространены древние кристаллические
п о р о д ы . В т е к т о н и ч е с к и х д е п р е с с и я х или к р у п н ы х э р о з и о н н ы х
п о н и ж е н и я х рельефа, на отдельных участках или на б о л ь ш е й части
массива кристаллические породы могут быть перекрыты рыхлыми
и слабосцементированными осадочными породами неоген-чет­
вертичного или более д р е в н е г о возраста. Т и п и ч н ы м и п р и м е р а м и
подобных гидрогеологических р а й о н о в являются Балтийский щит,
Украинский кристаллический массив, Енисейский кряж и др.
(рис. 11.1).
+++
1
S S 2
3
4 2^ — 5
^ . »-
Рис. 11.1. Схема строения гидрогеологического массива: / —
древние кристаллические породы; 2 — зона экзогенной тре­
щиноватости; 3 — рыхлые или слабосцементированные оса­
дочные отложения; 4 — образования коры выветривания;
5 — возможные направления потоков трещинно-жильных
вод; 6 — направления движения трешинно-грунтовых вод
зоны экзогенной трещиноватости
http://geoschool.web.ru
264
Часть III. О с н о в ы р е г и о н а л ь н о й г и д р о г е о л о г и и
О б щ и м и особенностями природных условий (физико-геогра­
ф и ч е с к и е у с л о в и я , геологическое с т р о е н и е и др.) г и д р о г е о л о г и ­
ческих р а й о н о в этого т и п а , в р е ш а ю щ е й с т е п е н и о п р е д е л я ю щ и м и
т и п ы и условия ф о р м и р о в а н и я п о д з е м н ы х вод, я в л я ю т с я :
1) д р е в н и й с р а в н и т е л ь н о в ы р о в н е н н ы й , в ряде случаев н и з к о и с р е д н е г о р н ы й р е л ь е ф с о т н о с и т е л ь н о глубокой и р е з к о
выраженной эрозионной расчлененностью;
2) х о р о ш о в ы р а ж е н н о е п р о я в л е н и е ш и р о т н о й к л и м а т и ч е с к о й
з о н а л ь н о с т и ( а т м о с ф е р н ы е о с а д к и , и с п а р е н и е , температуры
и др.), которая на участках с н и з к о г о р н ы м и о с о б е н н о
с р е д н е г о р н ы м р е л ь е ф о м у с л о ж н я е т с я п р о я в л е н и я м и высот­
ной к л и м а т и ч е с к о й п о я с н о с т и ;
3) т и п и ч н о е б л о к о в о е с т р о е н и е с р е з к о в ы р а ж е н н ы м и т е к т о ­
ническими границами блоков (зоны тектонических нару­
ш е н и й ) , в ряде случаев с д о с т а т о ч н о ч е т к и м п р о я в л е н и е м
новейших и современных тектонических движений. При
этом характер т е к т о н и ч е с к и х д в и ж е н и й (знак, а м п л и т у д ы )
для о т д е л ь н ы х б л о к о в м а с с и в а м о ж е т с у щ е с т в е н н о р а з л и ­
чаться;
4) р а с п р о с т р а н е н и е м о щ н ы х т о л щ д р е в н и х к р и с т а л л и ч е с к и х
м а г м а т и ч е с к и х и л и м е т а м о р ф и ч е с к и х пород: и н т р у з и в н ы е
породы р а з л и ч н о г о состава, г н е й с ы , а м ф и б о л и т ы , к р и с т а л ­
лические сланцы, кварциты и др.;
5) п р е и м у щ е с т в е н н о е р а с п р о с т р а н е н и е т р е щ и н н ы х т и п о в п о д ­
з е м н ы х вод, с в я з а н н ы х с р е г и о н а л ь н ы м и или л о к а л ь н ы м и
(линейно-локальными) зонами трещиноватости кристалли­
ческих пород (см. гл. 9).
О с н о в н ы м т и п о м подземных вод являются т р е щ и н н ы е (грунто­
вые т р е щ и н н ы е ) воды верхней з о н ы в ы в е т р и в а н и я к р и с т а л л и ч е ­
ских пород. В б о л ь ш и н с т в е случаев эти воды образуют гидравли­
чески е д и н ы й в о д о н о с н ы й горизонт с водами рыхлых п о к р о в н ы х
отложений и водоносными образованиями коры выветривания,
р а с п р о с т р а н е н н ы й в о с н о в н о м в пределах всей п л о щ а д и массива.
М о щ н о с т ь в о д о н о с н о г о г о р и з о н т а в з а в и с и м о с т и от с т р о е н и я
верхней части р а з р е з а и з м е н я е т с я от н е с к о л ь к и х д о 60—100 м
и более ( Б а б и н е ц , 1961). К а к п р а в и л о , м и н и м а л ь н ы е м о щ н о с т и
характерны для с у щ е с т в е н н о глинистых пород ( с л а н ц ы , ф и л л и т ы
и др.) — м а к с и м а л ь н ы е д л я к р е п к и х с к а л ь н ы х п о р о д ( г н е й с ы ,
к в а р ц и т ы и др.). О б щ е й з а к о н о м е р н о с т ь ю является у м е н ь ш е н и е
п р о н и ц а е м о с т и п о р о д с у в е л и ч е н и е м г л у б и н ы з а л е г а н и я и уве­
л и ч е н и е п р о н и ц а е м о с т и в зонах т е к т о н и ч е с к и х н а р у ш е н и й , о м о ­
ложенных новейшими движениями, и тектонических контактов
(см. гл. 9).
http://geoschool.web.ru
Глава 11. Г и д р о г е о л о г и ч е с к и е м а с с и в ы и складчатые о б л а с т и
265
Воды грунтовые со с в о б о д н о й п о в е р х н о с т ь ю . Глубина залега­
н и я грунтовых вод т е с н о связана с р е л ь е ф о м т е р р и т о р и и и и з м е ­
няется от нескольких метров на п о н и ж е н н ы х участках д о 20—50 м
и более на крутых с к л о н а х и водораздельных пространствах. Н а
участках, где п е р е к р ы в а ю щ и е р ы х л ы е о т л о ж е н и я и л и о б р а з о в а ­
н и я коры в ы в е т р и в а н и я представлены с л а б о п р о н и ц а е м ы м и п о р о ­
дами (валунные суглинки, глины), распространены подземные
воды с м е с т н ы м н а п о р о м . В д е п р е с с и я х поверхности к р и с т а л л и ­
ческих пород, в э р о з и о н н ы х п о н и ж е н и я х и на с к л о н а х м а с с и в о в
при н а л и ч и и в верхней части разреза с л а б о п р о н и ц а е м ы х о т л о ж е ­
ний (валунные суглинки, озерные или морские глины и др.)
с к в а ж и н ы нередко в с к р ы в а ю т н а п о р н ы е с а м о и з л и в а ю щ и е с я воды
(см. р и с 9.3)
В крупных тектонических депрессиях (погруженных блоках
массива) п р и з н а ч и т е л ь н о й (150—200 м и более) т о л щ е слоистых
осадочных пород может формироваться система относительно
и з о л и р о в а н н ы х в о д о н о с н ы х г о р и з о н т о в м е ж п л а с т о в ы х вод. В н е ­
которых случаях такие депрессии рассматриваются в качестве
с п е ц и ф и ч е с к и х а р т е з и а н с к и х б а с с е й н о в наложенного типа. В с в я ­
зи с о т н о с и т е л ь н о н е б о л ь ш о й м о щ н о с т ь ю пластовой с и с т е м ы и
отсутствием выдержанных с л а б о п р о н и ц а е м ы х пластов м е ж п л а с т о ­
вые в о д о н о с н ы е г о р и з о н т ы н а л о ж е н н ы х а р т е з и а н с к и х б а с с е й н о в
имеют, как правило, условия формирования, характерные для
первого гидрогеологического этажа бассейнов платформенного
типа (см. гл. 10).
У с л о в и я ф о р м и р о в а н и я т р е щ и н н ы х г р у н т о в ы х вод в е р х н е й
з о н ы э к з о г е н н о й т р е щ и н о в а т о с т и р а с с м о т р е н ы в гл. 9. В пределах
этой з о н ы в верхней части массива к р и с т а л л и ч е с к и х пород ф о р ­
мируется система местных потоков т р е щ и н н ы х (грунтовых и
с м е с т н ы м н а п о р о м ) п о д з е м н ы х вод, с в я з а н н ы х с с о в р е м е н н ы м
р е л ь е ф о м т е р р и т о р и и . Д в и ж е н и е п о д з е м н ы х вод во всех случаях
н а п р а в л е н о от ц е н т р а л ь н ы х частей м е ж д у р е ч н ы х п р о с т р а н с т в к
дренирующим эрозионным понижениям. Гидродинамическими
границами потоков являются поверхностные водоразделы и д р е н ы
(см. р и с . 11.1).
Химический состав и минерализация грунтовых т р е щ и н н ы х
вод определяются главным образом слабой растворимостью древних
кристаллических пород. В условиях умеренного и избыточного
у в л а ж н е н и я с верхней з о н о й м а с с и в о в с в я з а н ы п р е и м у щ е с т в е н н о
у л ь т р а п р е с н ы е и п р е с н ы е (до 200—300 м г / л ) г и д р о к а р б о н а т н ы е
к а л ь ц и е в ы е (Са—Mg) воды. П р и н а л и ч и и с у л ь ф и д н о й м и н е р а л и ­
з а ц и и ( п р о ц е с с ы о к и с л е н и я сульфидов) н е п о с р е д с т в е н н о в верх-
http://geoschool.web.ru
266
Часть III. О с н о в ы р е г и о н а л ь н о й г и д р о г е о л о г и и
ней зоне в о з м о ж н о ф о р м и р о в а н и е вод с у л ь ф а т н о - к а л ь ц и е в о г о с о ­
става с м и н е р а л и з а ц и е й д о 1,5—2,0 г / л . В з о н е н е д о с т а т о ч н о г о
у в л а ж н е н и я при р а з в и т и и п р о ц е с с о в и с п а р е н и я и н а л и ч и и ч а с ­
т и ч н о з а с о л е н н ы х рыхлых о т л о ж е н и й н е п о с р е д с т в е н н о с верхней
з о н о й м а с с и в о в могут б ы т ь с в я з а н ы с у л ь ф а т н ы е и х л о р и д н ы е
( S 0 — С 1 ) воды с м и н е р а л и з а ц и е й д о 10—15 г/л и более.
В т о р ы м ш и р о к о р а с п р о с т р а н е н н ы м в пределах к р и с т а л л и ч е ­
ских м а с с и в о в т и п о м п о д з е м н ы х вод я в л я ю т с я т р е щ и н н о - ж и л ь ные воды зон т е к т о н и ч е с к и х н а р у ш е н и й . В б о л ь ш и н с т в е случаев
зоны тектонических нарушений характеризуются интенсивной
п р о н и ц а е м о с т ь ю и о б в о д н е н н о с т ь ю т о л ь к о в пределах в е р х н е й
зоны развития э к з о г е н н о й т р е щ и н о в а т о с т и д о глубин 150—200 м
и реже более. В этих условиях в зонах т е к т о н и ч е с к и х н а р у ш е н и й
ф о р м и р у ю т с я л и н е й н о - л о к а л ь н ы е потоки трещинно-жильных
вод,
тесно с в я з а н н ы е с п о в е р х н о с т н ы м и и т р е щ и н н о - г р у н т о в ы м и в о ­
д а м и верхней з о н ы (см. гл. 9). М и н е р а л и з а ц и я " ж и л ь н ы х " вод
о б ы ч н о не п р е в ы ш а е т 300—500 м г / л , с о с т а в п р е и м у щ е с т в е н н о
гидрокарбонатный кальциевый (Са—Mg). Относительно более
в ы с о к а я м и н е р а л и з а ц и я , х л о р и д н ы й (S0 —-С1 и т.д.) состав, с о ­
д е р ж а н и е с п е ц и ф и ч е с к и х к о м п о н е н т о в (J, Br, Sr, Rb, F) и газов
глубинного происхождения ( H S , Не, С 0 , С Н ) характерны
т о л ь к о для участков разгрузки т р е щ и н н о - ж и л ь н ы х вод глубинной
циркуляции.
Т а к , К о л ь с к о й сверхглубокой с к в а ж и н о й и с к в а ж и н а м и - д у б л е ­
рами т р е щ и н н о - ж и л ь н ы е воды р а з л о м о в б ы л и встречены в и н ­
тервалах глубин 463-470, 580-610, 1135-1170, 1760-1812,
3317—3448 м и д а л е е на г л у б и н а х 9920 и 10020 м. М о щ н о с т ь
вскрытых зон и з м е н я л а с ь от 10 д о 30—80 м. П р о н и ц а е м о с т ь гор­
ных пород в целом б ы л а д о с т а т о ч н о н и з к о й ( Ю — Ю м/сут). Д о
глубин 3,5—4,0 км т р е щ и н н о - ж и л ь н ы е воды х а р а к т е р и з о в а л и с ь
д а в л е н и я м и , в целом б л и з к и м и к н о р м а л ь н ы м г и д р о с т а т и ч е с к и м ;
на глубинах о к о л о 9 км — а н о м а л ь н о в ы с о к и м и д а в л е н и я м и , п р и ­
б л и ж а ю щ и м и с я к геостатическим. М и н е р а л и з а ц и я подземных вод
и з м е н я л а с ь от 1,0-3,7 г/л ( 4 6 3 - 6 1 0 м), 2 4 - 5 1 г/л (900-1350 м)
до 150 г/л (4500 м) и предположительно до 300 г/л и более (9—10 км).
Состав т р е щ и н н ы х вод — от хлоридно-гидрокарбонатного натриево-кальциевого до хлоридного натриевого и хлоридного кальцие­
вого CI—Са ( M g , Na) ( К о л ь с к а я сверхглубокая..., 1984). А н а л о ­
г и ч н ы е в о д ы с м и н е р а л и з а ц и е й более 1,0—3,0 г/л на глубинах
о к о л о 1000 м и более б ы л и встречены в к р и с т а л л и ч е с к и х породах
У к р а и н с к о г о массива, К а н а д с к о г о щита и в ряде других р а й о н о в .
Гидрогеология глубоких частей м а с с и в о в к р и с т а л л и ч е с к и х п о ­
род д о н а с т о я щ е г о в р е м е н и п р а к т и ч е с к и не изучена. В с в я з и с
4
4
2
2
4
- 5
http://geoschool.web.ru
- 6
Глава 1 1 . Г и д р о г е о л о г и ч е с к и е м а с с и в ы и с к л а д ч а т ы е о б л а с т и
267
этим уникальными являются материалы, полученные Кольской
сверхглубокой с к в а ж и н о й , которая в интервале глубин 4,5—9,0 км
вскрыла н е с к о л ь к о м о щ н ы х т р е щ и н о в а т ы х з о н , о б ъ е д и н я е м ы х в
так н а з ы в а е м у ю зону "регионального
разуплотнения"
(региональ­
ного т е к т о н и ч е с к о г о р а с с л а н ц е в а н и я ) горных пород. Н е с м о т р я на
то что т р е щ и н о в а т ы е п о р о д ы этих з о н характеризуются ч р е з в ы ­
ч а й н о н и з к о й п р о н и ц а е м о с т ь ю ( п о р я д к а 10~ м / с у т в и н т е р в а л е
глубин 6170—6470 м ) , о н и содержат с в о б о д н ы е ( г р а в и т а ц и о н н ы е )
воды, " п л а с т о в ы е " д а в л е н и я которых р е з к о п р е в ы ш а ю т н о р м а л ь ­
ные гидростатические ( Р = / ° , ) . Минерализация подземных
вод и з м е н я е т с я в пределах 200—300 г/л и п р е д п о л о ж и т е л ь н о б о ­
лее. С о с т а в вод х л о р и д н ы й к а л ь ц и е в ы й и х л о р и д н ы й н а т р и е в ы й
с с о д е р ж а н и е м с п е ц и ф и ч е с к и х м и к р о к о м п о н е н т о в (I, F , В, Вг,
Sr, Rb) и газов глубинного п р о и с х о ж д е н и я ( Н , Н е , С 0 ) . Гидро­
д и н а м и ч е с к и е и г и д р о г е о х и м и ч е с к и е показатели з о н ы р е г и о н а л ь ­
ного р а з у п л о т н е н и я свидетельствуют о т о м , что п о д з е м н ы е воды
этой з о н ы находятся в условиях р е з к о з а т р у д н е н н о г о водообмена.
Собственно водообмен определяется здесь затрудненной разгрузкой
п о д з е м н ы х вод п о п р о н и ц а е м ы м з о н а м т е к т о н и ч е с к и х н а р у ш е ­
ний в верхние и н т е р в а л ы гидрогеологического разреза ( в о з м о ж н о
т а к ж е з а т р у д н е н н ы м п р и т о к о м ф л ю и д о в из более глубоких и н ­
тервалов).
Результаты геохимических исследований свидетельствуют о
том, что п о д з е м н ы е воды з о н ы р е г и о н а л ь н о г о р а з у п л о т н е н и я я в ­
ляются, вероятно, метаморфогенными флюидами, формирование
которых связано с дегидратацией м и н е р а л ь н ы х гидратов (хлорита,
э п и д о т а , с л ю д и др.) в п р о ц е с с е п р о г р е с с и в н о г о р е г и о н а л ь н о г о
метаморфизма. Увеличение объема свободной (гравитационной)
воды, н а х о д я щ е й с я под " п л а с т о в ы м " д а в л е н и е м , б л и з к и м к гео­
статическому, обусловливает ф о р м и р о в а н и е г л у б и н н ы х зон " р а з ­
уплотнения" (формирование трещиноватости микрогидроразрыва), а также способствует с о х р а н е н и ю т р е щ и н н о й п р о н и ц а е м о с т и
этих зон (затрудняет п р о ц е с с ы у п л о т н е н и я горных пород) в связи
с тем, что отток м е т а м о р ф о г е н н ы х ф л ю и д о в затруднен.
П о д о б н ы й механизм ф о р м и р о в а н и я и г и д р о г е о х и м и ч е с к и й о б ­
л и к глубоких м е т а м о р ф о г е н н ы х ф л ю и д о в могут б ы т ь характерны
и д л я других у с л о в и й , в ч а с т н о с т и д л я к р и с т а л л и ч е с к и х п о р о д
ф у н д а м е н т а б а с с е й н о в п л а т ф о р м е н н о г о т и п а (см. гл. 10).
7
1 И
е о с т
2
2
Представления об условиях формирования в слаборастворимых кристалли­
ческих породах высокоминерализованных вод и рассолов хлоридного состава до
настоящего времени являются противоречивыми. По данным термодинамического
моделирования (Крайнов, Рыженко, Швец, 2004), в закрытых гидрогеохимических
системах (без обмена веществом и энергией с окружающей средой) непосредствен-
http://geoschool.web.ru
268
Часть III. О с н о в ы р е г и о н а л ь н о й г и д р о г е о л о г и и
но в процессе длительного взаимодействия воды с кристаллическими горными
породами возможно формирование CI—Na—Ca(Mg) с минерализацией до 100—
150 г/л. Геохимическая эволюция высокоминерализованных рассолов любого
состава (CI—Na, CI— Mg) в закрытых гидрогеохимических системах кислых (гранитоидных) кристаллических пород во всех случаях приводит в результате к об­
разованию рассолов С1—Са состава (Крайнов и др., 2004). В то же время, по
мнению вышеназванных авторов, формирование высокоминерализованных (бо­
лее 250—350 г/л) рассолов CI—Na—Са и CI—Са—Na состава в кристаллических
породах гидрогеологических массивов возможно только при наличии притока
первичных седиментационных рассолов. Однако в связи с чрезвычайно низкой
проницаемостью кристаллических пород в глубоких частях массива и наличия
там условий весьма затрудненного водообмена (см. выше) с гидродинамических
позиций подобное заключение сомнительно.
11.2. Гидрогеология складчатых областей
Для территории складчатых областей характерны резкие из­
м е н е н и я рельефа, геолого-структурных условий и т и п а в о д о в м е ­
щ а ю щ и х п о р о д , п р о я в л я ю щ и е с я на о т н о с и т е л ь н о к о р о т к и х р а с ­
стояниях.
В связи с этим характеристика условий распространения и
ф о р м и р о в а н и я п о д з е м н ы х вод в пределах с к л а д ч а т о й области в
целом ( к а к т и п а г и д р о г е о л о г и ч е с к о г о р а й о н а ) ч р е з в ы ч а й н о з а ­
труднительна. Более п р а в и л ь н о рассматривать эти условия п р и м е ­
н и т е л ь н о к с т р у к т у р н о - г и д р о г е о л о г и ч е с к и м р а й о н а м II п о р я д к а ,
в качестве к о т о р ы х р а с с м а т р и в а ю т с я с о б с т в е н н о гидрогеологиче­
ские массивы, артезианские бассейны межгорного типа, адмассивы,
адбассейны и вулканогенные массивы ( Н . И . Толстихин, И . К . З а й ­
цев и др.).
Гидрогеологические
условия массивов кристаллических пород, в ы ­
д е л я е м ы х в качестве р а й о н о в II п о р я д к а в пределах
складчатых
областей, в целом а н а л о г и ч н ы р а с с м о т р е н н ы м в ы ш е . Здесь т а к ж е
преимущественное распространение имеют т р е щ и н н ы е грунто­
вые воды верхней з о н ы и т р е щ и н н о - ж и л ь н ы е з о н т е к т о н и ч е с к и х
н а р у ш е н и й . С в е д е н и я о г л у б и н н о й гидрогеологии этих м а с с и в о в
в н а с т о я щ е е время п р а к т и ч е с к и отсутствуют. Н е к о т о р ы е о с о б е н ­
ности условий ф о р м и р о в а н и я т р е щ и н н ы х вод о п р е д е л я ю т с я т е м ,
что в ц е н т р а л ь н ы х частях складчатых областей м а с с и в ы к р и с т а л ­
л и ч е с к и х пород н е р е д к о я в л я ю т с я р а й о н а м и со с р е д н е г о р н ы м и
в ы с о к о г о р н ы м рельефом. В связи с этим для н и х характерен резко
р а с ч л е н е н н ы й р е л ь е ф , отсутствие р ы х л ы х о т л о ж е н и й , з а м е т н ы е
проявления высотной климатической поясности, относительно
более глубокое з а л е г а н и е у р о в н я и л и отсутствие г о р и з о н т а т р е щ и н н о - г р у н т о в ы х вод на глубоко д р е н и р о в а н н ы х в е р ш и н а х и д р .
http://geoschool.web.ru
Глава 1 1 . Г и д р о г е о л о г и ч е с к и е м а с с и в ы и с к л а д ч а т ы е о б л а с т и
269
11.2.1. Артезианские бассейны межгорного типа
К д а н н о м у типу относятся б а с с е й н ы , с в я з а н н ы е с м е ж г о р н ы м и
и в н у т р и г о р н ы м и в п а д и н а м и г о р н о - с к л а д ч а т ы х областей. И н о г д а
используется более о б щ е е понятие " о р о г е н н ы е б а с с е й н ы " , объеди­
н я ю щ е е все виды а р т е з и а н с к и х б а с с е й н о в г о р н о - с к л а д ч а т ы х о б ­
ластей ( З а й ц е в , 1986), у с т а р е в ш е е н а з в а н и е " г е о с и н к л и н а л ь н ы е
б а с с е й н ы " и др. Т и п и ч н ы е бассейны межгорного типа характерны
главным образом д л я м о л о д ы х м е з о к а й н о з о й с к и х складчатых о б ­
ластей и, как и с к л ю ч е н и е , для складчатых областей палеозойского
возраста.
О с н о в н ы м и о с о б е н н о с т я м и п р и р о д н ы х условий, геологического
строения и истории развития типичных бассейнов межгорного
типа, в з н а ч и т е л ь н о й мере о п р е д е л я ю щ и м и с т р о е н и е гидрогеоло­
гического разреза и условия ф о р м и р о в а н и я п о д з е м н ы х вод, я в л я ­
ются:
1) н а л и ч и е м е ж г о р н о й д е п р е с с и и ( т е к т о н и ч е с к о й в п а д и н ы )
о т н о с и т е л ь н о о г р а н и ч е н н ы х р а з м е р о в — д о с о т е н , в ряде
случаев т ы с я ч квадратных к и л о м е т р о в ;
2) р а в н и н н ы й , х о л м и с т о - р а в н и н н ы й р е л ь е ф поверхности с за­
м е т н ы м у в е л и ч е н и е м отметок и р а с ч л е н е н н о с т и рельефа в
краевых (предгорных) частях в п а д и н ы и р е з к о в ы р а ж е н н ы й
с р е д н е - или в ы с о к о г о р н ы й р е л ь е ф в пределах ее с к л а д ч а т о ­
го о б р а м л е н и я ;
3) н а л и ч и е в разрезе б а с с е й н а двух с т р у к т у р н о - т е к т о н и ч е с к и х
э т а ж е й : чехла, с л о ж е н н о г о р ы х л ы м и а л л ю в и а л ь н о - п р о л ю виальными, озерно-аллювиальными и другими континен­
т а л ь н ы м и осадками, м о щ н о с т ь которых в центральной части
впадины достигает 400—600 м (реже более), и сложно постро­
енного фундамента, представленного кристаллическими п о ­
родами, интенсивно дислоцированными и литифицированными ("складчатыми") осадочными толщами и др.;
4) ф о р м и р о в а н и е о с а д о ч н о г о чехла в п а д и н ы в т е ч е н и е одного
ц и к л а о с а д к о н а к о п л е н и я в условиях б л и з к о р а с п о л о ж е н н ы х
областей с н о с а о б л о м о ч н о г о материала с р е з к о р а с ч л е н е н ­
н ы м г о р н ы м р е л ь е ф о м , что определяет в целом слабую отсортированность обломочного материала и наличие пре­
имущественно крупно- и грубообломочных образований
1
1
Крупные межгорные депрессии размерами в десятки и сотни тысяч квад­
ратных километров с мощным (1500—2000 м и более) сложно построенным
разрезом осадочных отложений рассматриваются (И.К. Зайцев и др.) как "нети­
пичные" межгорные бассейны, поскольку типы подземных вод и условия их
формирования являются здесь значительно более сложными.
http://geoschool.web.ru
Часть III. О с н о в ы р е г и о н а л ь н о й г и д р о г е о л о г и и
270
( п е с к и , г а л е ч н и к и и др.) в о с н о в а н и и р а з р е з а о с а д о ч н о г о
чехла и в краевых частях впадины и преимущественно т о н к о ­
д и с п е р с н ы х ( г л и н ы , с у г л и н к и ) , ф о р м и р у ю щ и х с я на з а к л ю ­
ч и т е л ь н о й стадии ц и к л а о с а д к о н а к о п л е н и я (верхняя часть
разреза) в ц е н т р а л ь н ы х р а й о н а х в п а д и н ы .
Ф а к т и ч е с к и п р и этих у с л о в и я х о с а д о ч н ы й чехол м е ж г о р н о г о
артезианского бассейна может рассматриваться в качестве единого
водоносного к о м п л е к с а , строение которого определяет п р а к т и ч е ­
ское отсутствие в ы д е р ж а н н ы х в о д о н о с н ы х горизонтов (рис. 11.2).
I ЕЭ''И Е3
3
5
6
И ЕВ СШ»Ш'
?
8
0
Рис. 11.2. Типовой гидрогеологический разрез артезианского бассейна межгорно­
го типа: / — грубообломочные отложения (галечники, гравийно-песчаные и др.);
2 — преимущественно пески; .? — глины и суглинки; 4 — породы обрамления
и фундамента; 5 — зоны тектонических нарушений; 6 — уровень грунтовых
вод; 7 — источники; 8 — направления движения подземных вод; 9 — границы и
номера гидродинамических зон (областей) бассейна; 10 — скважины, стрелки —
величина напора подземных вод
С т р о е н и е г и д р о г е о л о г и ч е с к о г о разреза о с а д о ч н о г о чехла б а с ­
сейна, типичное для межгорных впадин и "конусов в ы н о с а " пред­
горных р а в н и н , п о з в о л я е т выделить в б а с с е й н е в н а п р а в л е н и и от
п е р и ф е р и и к его ц е н т р а л ь н о й части четыре х а р а к т е р н ы е г и д р о д и ­
н а м и ч е с к и е области ( П . Г . Г р и г о р е н к о , O . K . Л а н г е , М.А. Ш м и д т
и др.) с о п р е д е л е н н ы м и о с о б е н н о с т я м и ф о р м и р о в а н и я подземных
вод. К р а й н я я п е р и ф е р и й н а я область б а с с е й н а (I), п р и у р о ч е н н а я
к о т н о с и т е л ь н о п р и п о д н я т ы м участкам п р е д г о р н о й р а в н и н ы , р а с ­
сматривается как область питания или ф о р м и р о в а н и я потока
п о д з е м н ы х вод. Б л а г о п р и я т н ы е в целом условия п и т а н и я о п р е д е ­
л я ю т с я здесь п р е о б л а д а н и е м в разрезе к р у п н о - и грубообломочных в ы с о к о п р о н и ц а е м ы х (до 50—100 м / с у т и более) о т л о ж е н и й и
http://geoschool.web.ru
Глава 1 1 . Г и д р о г е о л о г и ч е с к и е м а с с и в ы и с к л а д ч а т ы е о б л а с т и
271
о т н о с и т е л ь н о глубоким (до 50—80 м и более) залеганием уровня
грунтовых вод. В этих условиях, как правило, о с н о в н ы м и с т о ч н и ­
ком п и т а н и я грунтовых вод является поглощение поверхностных вод
из в р е м е н н ы х и п о с т о я н н ы х в о д о т о к о в , п о с т у п а ю щ и х из с о с е д ­
ней г о р н о - с к л а д ч а т о й области, к о т о р ы е в связи с о с о б е н н о с т я м и
рельефа и с т р о е н и е м гидрогеологического разреза я в л я ю т с я " п о д ­
в е ш е н н ы м и " п о о т н о ш е н и ю к у р о в н ю грунтовых вод. В е л и ч и н ы
п о г л о щ е н и я р у с л о в о г о с т о к а н е р е д к о д о с т и г а ю т 50—100 л / с на
1 км русла и более, а в о б щ е м балансе б а с с е й н а этот и с т о ч н и к
п и т а н и я с о с т а в л я е т 50—60% и б о л е е . Д о п о л н и т е л ь н о е п и т а н и е
п о д з е м н ы х вод ф о р м и р у е т с я за счет м е с т н о й и н ф и л ь т р а ц и и ат­
мосферных осадков, антропогенных источников питания (ороше­
ние) и за счет п о д з е м н о г о п р и т о к а через п о р о д ы горного о б р а м ­
л е н и я : т р е щ и н н о - г р у н т о в ы х вод верхней з о н ы и т р е щ и н н ы х вод
зон т е к т о н и ч е с к и х н а р у ш е н и й и з о н и н т е н с и в н о й з а к а р с т о в а н ­
ности (рис. 11.2).
Во второй области (II) п о т о к грунтовых вод, п о с т у п а ю щ и й из
периферийной зоны, "расчленяется" слабопроницаемыми слоями
на систему н е в ы д е р ж а н н ы х в о д о н о с н ы х с л о е в , с о д е р ж а щ и х н а ­
п о р н ы е п о д з е м н ы е воды т и п а м е ж п л а с т о в ы х . Х а р а к т е р г и д р а в ­
л и ч е с к о й связи в о д о н о с н ы х слоев между с о б о й и с г р у н т о в ы м и
водами б а с с е й н а в з а в и с и м о с т и от с т р о е н и я гидрогеологического
разреза может с у щ е с т в е н н о и з м е н я т ь с я на к о р о т к и х р а с с т о я н и я х
(рис. 11.3). В связи с о т н о с и т е л ь н о неглубоким (до 10—15 м, реже
более) залеганием уровня грунтовых вод в пределах р е ч н ы х д о л и н
и э р о з и о н н ы х п о н и ж е н и й другого т и п а ф о р м и р у е т с я и н т е н с и в ­
ная разгрузка грунтовых вод. Разгрузка осуществляется к а к через
русловые о т л о ж е н и я , т а к и в виде о т к р ы т ы х выходов ( р о д н и к и ) ,
дебиты которых в ряде случаев достигают д е с я т к о в , сотен л и т р о в
в 1 с и д а ж е п • м / с (в с в я з и с д о с т а т о ч н о в ы с о к о й п р о н и ц а е ­
мостью в о д о в м е щ а ю щ и х пород). Р а с п р е д е л е н и е н а п о р о в в " м е ж ­
п л а с т о в ы х " горизонтах (увеличение н а п о р о в с у в е л и ч е н и е м глу­
б и н ы залегания с л о я , с м . р и с . 11.2) свидетельствует о т о м , что в
пределах второй з о н ы п р о и с х о д и т т а к ж е и н т е н с и в н а я разгрузка
н а п о р н ы х вод (в в ы ш е л е ж а щ и е г о р и з о н т ы и далее в грунтовые
воды). В соответствии с э т и м вторая область б а с с е й н а р а с с м а т ­
ривается к а к з о н а частичной разгрузки и формирования
напорных
подземных вод.
3
Для третьей зоны бассейна (III) в о б щ е м случае характерно рас­
пространение в верхней части гидрогеологического разреза о т н о ­
сительно выдержанных и значительных по м о щ н о с т и (до 50—60 м
и более) с л а б о п р о н и ц а е м ы х о т л о ж е н и й ( г л и н ы , суглинки и др.).
Н а л и ч и е с л а б о п р о н и ц а е м ы х пластов затрудняет (в с р а в н е н и и со
второй з о н о й ) у с л о в и я в з а и м о д е й с т в и я г р у н т о в ы х и н а п о р н ы х
http://geoschool.web.ru
2
Рис. 11.3. Схема формирования подземных вод предгорной равнины Заилийского Алатау (Ахмедсафин, Шлыгина и др., 1978): 1 — крупнообломочные отложения (гравийные, валунно-галечниковые
и др.); 2 — песчаные; 3 — песчано-глинистые различного состава; 4 — глины и суглинки; 5 — породы
обрамления и фундамента; 6 — напраачения движения подземных вод; 7 — разгрузка грунтовых вод
испарением; 8 — величина напора подземных вод; 9 — источники; 10 — модуль подземного стока,
л/с • км ; // — расход потока подземных вод четвертичных отложений, л / с - к м ; 12 — диаграмма эле­
ментов водного баланса грунтового водоносного горизонта; 1 (внутренний круг) — питание,
II (внешний круг) — разгрузка: а — атмосферные осадки; б — жидкий сток ледников; в — подземный
приток; г — речной сток; д — суммарное испарение; е — подземный отток
272
Часть III. О с н о в ы р е г и о н а л ь н о й г и д р о г е о л о г и и
3
-9-
о.
о
и
http://geoschool.web.ru
Глава 1 1 . Г и д р о г е о л о г и ч е с к и е м а с с и в ы и складчатые о б л а с т и
273
межпластовых вод н и ж н е й части разреза б а с с е й н а , в связи с чем
третья з о н а б а с с е й н а м о ж е т р а с с м а т р и в а т ь с я к а к з о н а с л а б о г о
в з а и м о д е й с т в и я грунтовых и н а п о р н ы х п о д з е м н ы х вод, и л и к а к
зона транзита ( " т р а н з и т н о г о " стока н а п о р н ы х п о д з е м н ы х вод).
Четвертая з о н а (IV) в г и д р о д и н а м и ч е с к о й структуре б а с с е й н а
является р е г и о н а л ь н о й областью разгрузки п о д з е м н ы х вод, ф о р ­
мирование которой определяется наличием крупной (наиболее
глубоко в р е з а н н о й ) р е ч н о й д о л и н ы , о з е р н о й к о т л о в и н ы , бессточ­
ных с о л о н ч а к о в ы х п о н и ж е н и й с и н т е н с и в н ы м и с п а р е н и е м грун­
товых вод и д р . В н е к о т о р ы х случаях разгрузка п о д з е м н ы х вод
осуществляется также п о д з е м н ы м стоком в соседний (гипсометри­
чески н и ж е р а с п о л о ж е н н ы й ) м е ж г о р н ы й б а с с е й н или в с м е ж н ы й
структурно-гидрогеологический район другого типа и т.д. Естест­
в е н н о , что при с о х р а н е н и и р а с с м о т р е н н о й в ы ш е о б щ е й г и д р о ­
д и н а м и ч е с к о й структуры м е ж г о р н о г о б а с с е й н а (см. рис. П . 2 ) ш и ­
рина г и д р о д и н а м и ч е с к и х з о н , к о н ф и г у р а ц и я их г р а н и ц и другие
показатели могут с и л ь н о м е н я т ь с я от б а с с е й н а к б а с с е й н у , а в
пределах одного бассейна — от участка к участку, в зависимости от
рельефа, к л и м а т и ч е с к и х условий и г и д р о г р а ф и и р а й о н а , с т р о е н и я
гидрогеологического разреза и д р . (см. р и с . П . З ) .
Формирование минерализации
и химического состава п о д з е м н ы х
вод межгорных артезианских бассейнов определяется главным о б ­
разом их г и д р о д и н а м и ч е с к и м и о с о б е н н о с т я м и (близкое р а с п о л о ­
жение областей питания и разгрузки подземных вод, значительные
скорости ф и л ь т р а ц и и , отсутствие участков с резко з а т р у д н е н н ы м
в о д о о б м е н о м и т.д.) и п р а к т и ч е с к и м отсутствием в а л л ю в и а л ь н о п р о л ю в и а л ь н ы х и других к о н т и н е н т а л ь н ы х о т л о ж е н и я х о т н о с и ­
тельно л е г к о р а с т в о р и м ы х с о е д и н е н и й . В связи с этим в разрезе
б а с с е й н а на в с ю м о щ н о с т ь р ы х л ы х о т л о ж е н и й р а с п р о с т р а н е н ы
о б ы ч н о м а л о м и н е р а л и з о в а н н ы е (менее 1,0 г/л, в области п и т а н и я
чаще до 0,2—0,3 г/л) подземные воды гидрокарбонатного кальцие­
вого ( к а л ь ц и е в о - н а т р и е в о г о и др.) состава. Н а л и ч и е вод с более
высокой м и н е р а л и з а ц и е й может б ы т ь с в я з а н о т о л ь к о с участками
восходящей разгрузки т р е щ и н н ы х подземных вод из пород фунда­
мента (см. рис. 11.2), с процессами испарения и континентального
засоления грунтовых вод или их а н т р о п о г е н н ы м з а г р я з н е н и е м .
В а р и д н ы х условиях в ц е н т р а л ь н о й части м е ж г о р н ы х б а с с е й ­
нов (III и IV з о н ы ) на участках с неглубоким залеганием уровня
грунтовых вод х а р а к т е р н о й является их разгрузка путем и с п а р е ­
ния. Показателем такой разгрузки н е р е д к о является н а л и ч и е с о ­
л я н ы х озер, с о л о н ч а к о в , с о л о н ч а к о в ы х п о н и ж е н и й и др. В преде­
лах таких участков р а с п р о с т р а н е н ы , к а к п р а в и л о , с о л о н о в а т ы е и
соленые (иногда д о 30—50 г/л и более) грунтовые воды хлорид-
http://geoschool.web.ru
274
Часть III. О с н о в ы р е г и о н а л ь н о й г и д р о г е о л о г и и
ного состава. Н а л и ч и е м и н е р а л и з о в а н н ы х грунтовых вод при их
о т н о с и т е л ь н о х о р о ш е й и з о л я ц и и от н и ж е л е ж а щ и х г о р и з о н т о в и
п р е и м у щ е с т в е н н о в о с х о д я щ и й характер ф и л ь т р а ц и и через с л а б о ­
п р о н и ц а е м ы е породы, с в я з а н н ы й с увеличением напора при уве­
л и ч е н и и глубины з а л е г а н и я , о п р е д е л я ю т ф о р м и р о в а н и е в ц е н т ­
ин­
ральной части бассейна четко в ы р а ж е н н о й гидрогеохимической
версии. П р и наличии м и н е р а л и з о в а н н ы х хлоридных ф у н т о в ы х вод
н и ж е л е ж а щ и е ( н а п о р н ы е ) г о р и з о н т ы разреза с о д е р ж а т п р е с н ы е
п о д з е м н ы е воды с м и н е р а л и з а ц и е й менее 1,0 г / л , в ряде случаев
2,0—3,0 г/л и более на участках в з а и м о д е й с т в и я с з а с о л е н н ы м и
грунтовыми водами или в зонах разгрузки м и н е р а л и з о в а н н ы х вод
из пород ф у н д а м е н т а .
Р а с с м о т р е н н ы е в ы ш е условия ф о р м и р о в а н и я и т и п ы п о д з е м ­
ных вод характерны главным образом д л я о т н о с и т е л ь н о н е к р у п ­
ных впадин с о г р а н и ч е н н о й м о щ н о с т ь ю рыхлых осадочных о т л о ­
жений.
Межгорные артезианские бассейны, приуроченные к крупным
(десятки тысяч квадратных к и л о м е т р о в и более) в п а д и н а м со з н а ­
ч и т е л ь н о й (до 3 км и более) м о щ н о с т ь ю о с а д о ч н о г о чехла ( К у ра-Араксинский, Рионский, Ферганский, Нижнезейский, см.
р и с . 10.1), и м е ю т условия ф о р м и р о в а н и я п о д з е м н ы х вод, р е з к о
о т л и ч н ы е от р а с с м о т р е н н ы х в ы ш е .
П о м н е н и ю И . К . З а й ц е в а (1986), о н и я в л я ю т с я " н е т и п и ч н ы ­
м и " м е ж г о р н ы м и б а с с е й н а м и , п о с к о л ь к у по о б щ и м гидрогеоло­
гическим закономерностям близки к артезианским бассейнам
платформ.
В краевых п р е д г о р н ы х зонах, п р е и м у щ е с т в е н н о в верхней ч а с ­
ти разреза, о н и нередко характеризуются ш и р о к и м р а с п р о с т р а н е ­
нием рыхлых аллювиально-пролювиальных отложений или и н ­
тенсивно закарстованных карбонатных пород. Это определяет
в ы с о к у ю п р о н и ц а е м о с т ь разреза, б л а г о п р и я т н ы е условия п и т а н и я
п о д з е м н ы х вод ( п р и т о к из складчатых областей, п о г л о щ е н и е п о ­
верхностного стока и д р . ) , ф о р м и р о в а н и е м о щ н о й (1000—1500 м
и более) з о н ы п р е с н ы х п о д з е м н ы х вод и т.д.
О д н а к о для ц е н т р а л ь н ы х п о г р у ж е н н ы х частей таких б а с с е й н о в
в связи со з н а ч и т е л ь н о й м о щ н о с т ь ю разреза чехла, н а л и ч и е м в ы ­
д е р ж а н н ы х т о л щ с л а б о п р о н и ц а е м ы х пород, в т о м числе м о р с к и х
глинистых, гипс-ангидритовых, нередко соленосных формаций
и т.д., х а р а к т е р н ы ч е т к и е п р о я в л е н и я в е р т и к а л ь н о й г и д р о д и н а ­
мической и гидрогеохимической зональности, соответствующие
условиям артезианских бассейнов платформенного типа (см. гл. 10).
В т о же время в с в я з и со з н а ч и т е л ь н ы м и р а з л и ч и я м и р а з м е р о в
http://geoschool.web.ru
Глава 1 1 . Г и д р о г е о л о г и ч е с к и е м а с с и в ы и с к л а д ч а т ы е о б л а с т и
275
бассейнов, их внутреннего структурного плана, м о щ н о с т и и строе­
н и я разреза о с а д о ч н о г о чехла и д р у г и м и ф а к т о р а м и г и д р о д и н а ­
мические, гидрогеохимические и гидрогеотермические условия
таких бассейнов могут с и л ь н о меняться (от т и п и ч н о г о межгорного
бассейна д о условий т и п и ч н о г о б а с с е й н а п л а т ф о р м е н н о г о т и п а ) .
Т а к , м о щ н о с т ь з о н ы пресных г и д р о к а р б о н а т н ы х вод может и з ­
меняться п р а к т и ч е с к и от нуля (участки и н т е н с и в н о г о и с п а р е н и я
и засоления грунтовых вод или неглубокого залегания соленосных
т о л щ ) д о 1000—1500 м и более.
М и н е р а л и з а ц и я глубоких п о д з е м н ы х вод (2—3 км и более) м о ­
жет и з м е н я т ь с я от Ю—20 г/л в разрезах, с л о ж е н н ы х к о н т и н е н ­
тальными или прибрежно-морскими терригенными породами, до
270—300 г/л и более при н а л и ч и и галогенных т о л щ . Температура
п о д з е м н ы х вод (на глубинах 2—3 к м ) и з м е н я е т с я от 30—50 д о
100— 120°С и более. В ряде случаев п о д з е м н ы е воды характеризу­
ются о т н о с и т е л ь н о п о в ы ш е н н ы м и с о д е р ж а н и я м и I, В, Sr и газов
H S , N H , С 0 и др. ( З а й ц е в , 1986). П р и этом в з а в и с и м о с т и от
внутреннего структурного плана б а с с е й н а , м о щ н о с т и и с т р о е н и я
разреза, г и д р о д и н а м и ч е с к и х у с л о в и й т и п ы г и д р о г е о х и м и ч е с к о й
з о н а л ь н о с т и ( п р я м а я , и н в е р с и о н н а я ) , характер и з м е н е н и я м и н е ­
р а л и з а ц и и и состава п о д з е м н ы х вод с глубиной, геотермические
градиенты и другие х а р а к т е р и с т и к и могут д о с т а т о ч н о р е з к о и з м е ­
няться д а ж е в пределах р а з л и ч н ы х с т р у к т у р н ы х з о н и участков
одного бассейна.
2
4
2
11.2.2. Адартезианские бассейны
и гидрогеологические адмассивы
Как б ы л о указано в ы ш е , при гидрогеологическом р а й о н и р о в а ­
нии складчатых областей из-за большого разнообразия гидрогеоло­
гических условий наряду с т и п и ч н ы м и ( м е ж г о р н ы м и ) бассейнами
и м а с с и в а м и п р о и з в о д и т с я т а к ж е в ы д е л е н и е гидрогеологических
р а й о н о в переходного ( п р о м е ж у т о ч н о г о ) т и п а , которые в связи с
особенностями главным образом геологического строения и исто­
рии развития и м е ю т о п р е д е л е н н ы е признаки (черты), характерные
и д л я о д н о г о и д л я другого т и п а г и д р о г е о л о г и ч е с к и х р а й о н о в .
К п о д о б н ы м р а й о н а м " п е р е х о д н о г о " т и п а относятся
адартезиан­
ские бассейны и гидрогеологические
адмассивы .
1
1
Термины "адбаесейн" и "адмасеив" предложены Н.И. Толстихиным и
И.К. Зайцевым. По смыслу греческая приставка "ад-" соответствует латинской
приставке "суб-".
http://geoschool.web.ru
276
Часть III. О с н о в ы р е г и о н а л ь н о й г и д р о г е о л о г и и
К адартезианским
бассейнам о т н о с я т г и д р о г е о д и н а м и ч е с к и е
с и с т е м ы (части с и с т е м ) , с в я з а н н ы е с о т р и ц а т е л ь н ы м и структура­
ми складчатых областей ( с и н к л и н о р и и , мульды, к р у п н ы е с и н к л и ­
нальные складки, межгорные депрессии и др.), в ы п о л н е н н ы м и
с л о и с т ы м и т о л щ а м и о с а д о ч н ы х о т л о ж е н и й . В этом с м ы с л е а д а р т е з и а н с к и е б а с с е й н ы похожи на т и п и ч н ы е б а с с е й н ы п л а т ф о р м е н ­
ного или м е ж г о р н о г о типа. О д н а к о в о т л и ч и е от них о с а д о ч н ы е
т о л щ и а д а р т е з и а н с к и х б а с с е й н о в характеризуются с и л ь н о й с т е п е ­
нью литификации
и и н т е н с и в н о й дислоцированностью.
В связи с
этим п е р в и ч н а я с е д и м е н т о г е н н а я пористость ( п р о н и ц а е м о с т ь ) та­
ких п о р о д о к а з ы в а е т с я в з н а ч и т е л ь н о й с т е п е н и " п о д а в л е н н о й "
п р о ц е с с а м и у п л о т н е н и я и ц е м е н т а ц и и п о р о в о г о пространства, и
о б в о д н е н н о с т ь г о р н ы х п о р о д (условия з а л е г а н и я , т и п ы п о д з е м ­
ных вод и др.) с в я з а н а здесь главным образом с развитием т р е ­
щ и н о в а т о с т и р а з л и ч н ы х г е н е т и ч е с к и х т и п о в . И м е н н о по этому
показателю а д а р т е з и а н с к и е б а с с е й н ы б о л ь ш е н а п о м и н а ю т гидро­
геологические м а с с и в ы .
П р и м е р а м и гидрогеологических р а й о н о в этого т и п а я в л я ю т с я
Минусинский и Кузбасский бассейны Алтае-Саянской складча­
той области, З а л а и р с к и й б а с с е й н З а п а д н о - У р а л ь с к о й з о н ы с к л а д ­
чатости и др.
Слоистость гидрогеологического разреза адартезианских бассей­
нов определяет ф о р м и р о в а н и е слоистой н е о д н о р о д н о с т и , с в я з а н ­
ной с н е р а в н о м е р н ы м ( п о с л о й н ы м ) развитием литогенетической и
тектонической трещиноватости, наличием слоев карстующихся
горных пород, в о з м о ж н о с т ь ю в ы д е л е н и я более или менее в ы д е р ­
жанных водоносных горизонтов и комплексов, а также относи­
тельно с л а б о п р о н и ц а е м ы х э л е м е н т о в разреза.
В то же время интенсивная д и с л о ц и р о в а н н о с т ь горных пород и
наличие п р о н и ц а е м ы х зон, с в я з а н н ы х с м н о г о ч и с л е н н ы м и текто­
н и ч е с к и м и н а р у ш е н и я м и , определяют возможность существования
участков и зон с о т к р ы т о й гидравлической с в я з ь ю о т н о с и т е л ь н о
глубоко з а л е г а ю щ и х н а п о р н ы х вод с г р у н т о в ы м и и п о в е р х н о с т ­
н ы м и водами а д б а с с е й н а . В с в я з и с э т и м в разрезе а д а р т е з и а н ­
ских б а с с е й н о в ф о р м и р у е т с я , как п р а в и л о , гидравлически е д и н а я
система п о т о к о в п о д з е м н ы х вод, не в п о л н о й мере соответствую­
щая г и д р о д и н а м и ч е с к о й з о н а л ь н о с т и б а с с е й н о в п л а т ф о р м е н н о г о
или межгорного типа. Естественно, что в зависимости от размеров
б а с с е й н а , м о щ н о с т и и с т р о е н и я разреза, н а л и ч и я и п о л о ж е н и я
п р о н и ц а е м ы х т е к т о н и ч е с к и х н а р у ш е н и й или з о н и н т е н с и в н о й
з а к а р с т о в а н н о с т и горных п о р о д структура п о т о к о в п о д з е м н ы х вод
может быть р а з л и ч н о й .
http://geoschool.web.ru
Глава 1 1 . Г и д р о г е о л о г и ч е с к и е м а с с и в ы и с к л а д ч а т ы е области
277
О с н о в н ы м и т и п а м и п о д з е м н ы х вод я в л я ю т с я т р е щ и н н ы е , т р е ­
щинно-карстовые, трещинно-жильные и пластово-трещинные.
К н и м о т н о с я т с я : грунтовые т р е щ и н н ы е воды з о н ы э к з о г е н н о й
трещиноватости (закарстованности); линейно-локальные потоки
т р е щ и н н о - ж и л ь н ы х вод зон тектонических нарушений и н а п о р н ы е
т р е щ и н н ы е воды з о н р е г и о н а л ь н о й (в пределах всего м а с с и в а )
и л о к а л ь н о й т р е щ и н о в а т о с т и . Н а л и ч и е и условия ф о р м и р о в а н и я
р а з л и ч н ы х т и п о в п о д з е м н ы х вод о п р е д е л я ю т с я главным образом
с л о и с т о с т ь ю разреза и и з м е н е н и е м т и п а горных п о р о д (от слоя
к слою).
Слоистость разреза адартезианских бассейнов обусловливает
также ( п о с л о й н ы е ) и з м е н е н и я м и н е р а л о г о - г е о х и м и ч е с к о г о к о м п ­
лекса горных пород ( т е р р и г е н н ы е , к а р б о н а т н ы е , г и п с - а н г и д р и т о ­
вые и д р . ) , что в р е ш а ю щ е й с т е п е н и определяет условия в з а и м о ­
д е й с т в и я п о д з е м н ы х вод с г о р н ы м и п о р о д а м и , а с л е д о в а т е л ь н о ,
и з м е н е н и я м и н е р а л и з а ц и и и х и м и ч е с к о г о состава п о д з е м н ы х вод.
В верхней части разреза (до глубины 500 м иногда глубже) р а с ­
пространены пресные гидрокарбонатные кальциевые (Са—Na
и д р . ) в о д ы , п р и н а л и ч и и г и п с о в или з а г и п с о в а н н ы х п о р о д —
сульфатные кальциевые ( H C 0 — S 0 , CI—S0 ) с минерализацией
до 1,5—2,0 г/л и более. В зоне недостаточного у в л а ж н е н и я и к о н ­
т и н е н т а л ь н о г о з а с о л е н и я грунтовых вод ( М и н у с и н с к а я в п а д и н а ,
З а б а й к а л ь е и д р . ) в в е р х н е й части р а з р е з а могут б ы т ь ш и р о к о
р а с п р о с т р а н е н ы пестрые п о х и м и ч е с к о м у составу воды с м и н е р а ­
л и з а ц и е й от менее 1,0 д о 30—50 г/л. П р и н а л и ч и и в более глубо­
ких частях р а з р е з а б а с с е й н а о т н о с и т е л ь н о в ы с о к о п р о н и ц а е м ы х
слоев (зон) и участков и н т е н с и в н о г о п и т а н и я т р е щ и н н ы х вод н е ­
редко наблюдается " и н в е р с и я " г и д р о г е о х и м и ч е с к о г о разреза (за­
легание п р е с н ы х п л а с т о в о - т р е щ и н н ы х и т р е щ и н н ы х вод под за­
соленными грунтовыми).
В глубоких частях разреза адартезианских бассейнов (1,0—2,0 км)
в зависимости от м о щ н о с т и и состава пород, ф и з и к о - г е о ф а ф и ч е с ких условий и других ф а к т о р о в величина м и н е р а л и з а ц и и подзем­
ных вод меняется в ш и р о к и х пределах. О б ы ч н о о н а не превышает
10—35 г / л , с о с т а в вод п р е и м у щ е с т в е н н о х л о р и д н ы й ( S 0 — С 1 ,
H C 0 — С 1 ) , в отдельных случаях х л о р и д н ы е рассолы с м и н е р а л и ­
зацией д о 100г/л и более (табл. 11.2). Н а л и ч и е м н о г о ч и с л е н н ы х
зон т е к т о н и ч е с к и х н а р у ш е н и й , п о к о т о р ы м осуществляется р а з ­
грузка г л у б о к и х в о д , о б у с л о в л и в а е т ф о р м и р о в а н и е т е р м а л ь н ы х
и с т о ч н и к о в с т е м п е р а т у р а м и воды на выходе д о 50—60°С, в о т ­
дельных случаях д о 96°С ( Т я н ь - Ш а н ь с к а я складчатая область).
3
4
4
4
3
http://geoschool.web.ru
Часть III. О с н о в ы р е г и о н а л ь н о й г и д р о г е о л о г и и
278
Таблица 11.2
Х и м и ч е с к и й состав п о д з е м н ы х вод л и т и ф и ц и р о в а н н ы х о с а д о ч н ы х
пород горно-складчатых областей (Зайцев, 1970)
Складчатая Минерали­
область
зация, г/л
Химический
состав
Специфические Содержание Темпера­
компоненты
CO , г/кг
тура, °C
Карпаты
Cl-Na,
(НСО,-Са)
H B 0 , As. Fe,
H,Si0
до 3,0
до 60
CI ( H C O , ) - N a
H B 0 , As, Fe,
H,Si0
1,5-3,3
до 50
Кавказ
до 130
до 35
z
2
3
2
3
Памир
1.2-4,5
HCO,(Cl, S 0 ) Na (Са, Mg)
H SiO,, Fe
0,7-3,3
до 64
Тянь-Шань
до 30
НСО, ( S 0 ) Ca (Mg)
Fe, Ba, Sr,
H SiO,
1,4-3.3
до 20
4
4
2
2
К гидрогеологическим
адмассивам
относят преимущественно
антиклинальные структуры, сложенные слоистыми толщами
с и л ь н о л и т и ф и ц и р о в а н н ы х и и н т е н с и в н о д и с л о ц и р о в а н н ы х оса­
дочных пород, которым в современном рельефе соответствуют
возвышенности с интенсивно расчлененным, преимущественно
горным рельефом.
При синклинальном строении структуры, выраженной положительными фор­
мами современного рельефа, используется также название "гидрогеологический
интермассив" (Кирюхин, Толстихин, 1987).
С т р о е н и е разреза а д м а с с и в о в ( о с а д о ч н ы е т о л щ и , с л о и с т о с т ь ,
и н т е н с и в н а я д и с л о ц и р о в а н н о с т ь г о р н ы х п о р о д и т.д.) в ц е л о м
а н а л о г и ч н о а д а р т е з и а н с к и м б а с с е й н а м . О д н а к о о т л и ч и я геологи­
ческого с т р о е н и я ( а н т и к л и н а л ь н ы е структуры) и рельефа ( и н т е н ­
сивно расчлененные горные районы) определяют специфические
о с о б е н н о с т и условий р а с п р о с т р а н е н и я и ф о р м и р о в а н и я п о д з е м ­
ных вод, х а р а к т е р н ы е г л а в н ы м о б р а з о м д л я г и д р о г е о л о г и ч е с к и х
массивов. К э т и м о с о б е н н о с т я м о т н о с я т с я : более и л и менее резко
выраженные проявления высотной гидрогеологической пояс­
н о с т и , б о л ь ш а я (в ц е л о м ) м о щ н о с т ь в е р х н е й з о н ы э к з о г е н н о й
т р е щ и н о в а т о с т и ( п р и н а л и ч и и к а р с т у ю щ и х с я сред — з а к а р с т о ­
в а н н о с т и ) горных пород. " Ц е н т р о б е ж н ы е " (от ц е н т р а л ь н ы х п р и ­
п о д н я т ы х участков к п е р и ф е р и и массива) н а п р а в л е н и я п о т о к о в
п о д з е м н ы х вод, с чем в целом связана б о л ь ш а я м о щ н о с т ь з о н ы
интенсивного водообмена, и др.
В связи с э т и м в гидрогеологических адмассивах с о с р е д н е - и
в ы с о к о г о р н ы м р е л ь е ф о м р а с п р о с т р а н е н ы главным образом грун­
товые воды верхней з о н ы э к з о г е н н о й т р е щ и н о в а т о с т и (закарсто­
в а н н о с т и ) горных пород и т р е щ и н н о - ж и л ь н ы е воды з о н т е к т о н и -
http://geoschool.web.ru
Глава 1 1 . Г и д р о г е о л о г и ч е с к и е м а с с и в ы и с к л а д ч а т ы е о б л а с т и
279
ческих н а р у ш е н и й , что х а р а к т е р н о д л я гидрогеологических м а с ­
сивов. О д н а к о слоистое с т р о е н и е разреза с н а л и ч и е м о с а д о ч н ы х
пород р а з н о г о состава определяет р я д с п е ц и ф и ч е с к и х о с о б е н н о с ­
тей ф о р м и р о в а н и я п о д з е м н ы х вод, п р и н ц и п и а л ь н о о т л и ч а ю щ и х
адмассив от типичного гидрогеологического массива. Слоистое
с т р о е н и е разреза о п р е д е л я е т н е р а в н о м е р н о е " п о с л о й н о е " р а з в и ­
тие э к з о г е н н о й т р е щ и н о в а т о с т и , что р е з к о нарушает о б щ у ю для
массивов закономерность уменьшения проницаемости горных
пород с глубиной (особенно при наличии слоев карстуюшихся
пород). С л о и о с а д о ч н ы х пород р а з н о г о состава могут иметь раз­
л и ч н ы й м и н е р а л о г о - г е о х и м и ч е с к и й к о м п л е к с (слои к а р б о н а т н ы х
пород, г и п с - а н г и д р и т о в ы х , з а с о л е н н ы х ) , что определяет " п о с л о й ­
н о е " и з м е н е н и е м и н е р а л и з а ц и и и х и м и ч е с к о г о состава п о д з е м ­
ных вод. Н а участках с о т н о с и т е л ь н о слабой д и с л о ц и р о в а н н о с т ь ю
слоистого разреза, в о с н о в н о м на п е р и ф е р и и массивов и на участ­
ках с п о н и ж е н н ы м с л а б о р а с ч л е н е н н ы м р е л ь е ф о м , в о з м о ж н о ф о р ­
м и р о в а н и е н а п о р н ы х т р е щ и н н ы х и т р е щ и н н о - к а р с т о в ы х вод типа
м е ж п л а с т о в ы х , н а л и ч и е к о т о р ы х не х а р а к т е р н о д л я т и п и ч н ы х
массивов.
Гидрогеологические условия адмассивов определяют возмож­
ность ф о р м и р о в а н и я значительно более м о щ н о й , чем в адбассейнах (предположительно, д о глубин в несколько километров), зоны
пресных п о д з е м н ы х вод. С о с т а в вод п р е и м у щ е с т в е н н о г и д р о к а р ­
б о н а т н ы й , при наличии з а г и п с о в а н н ы х пород — сульфатный каль­
ц и е в ы й . С о с т а в к а т и о н о в может с у щ е с т в е н н о меняться в з а в и с и ­
мости от т и п а в о д о в м е щ а ю щ и х п о р о д ( п р о я в л е н и е с л о и с т о с т и
разреза). Глубокие части разрезов гидрогеологических а д м а с с и в о в
изучены в настоящее время относительно слабо. И м е ю щ и е с я
д а н н ы е ( З а й ц е в , 1986) свидетельствуют о т о м , что в глубоких ч а с ­
тях разреза гидрогеологических а д м а с с и в о в на глубинах 2—3 км и
более (при н а ш ч и и галогенных ф о р м а ц и й на з н а ч и т е л ь н о м е н ь ­
ших глубинах) могут б ы т ь р а с п р о с т р а н е н ы с и л ь н о с о л е н ы е п о д ­
земные воды и рассолы (до 50—70 г/л и более) хлоридного состава
( К а р п а т ы , К р ы м с к а я обл., З а п а д н ы й Копетдаг и др.).
11.2.3. Вулканогенные массивы
В качестве о с о б о г о т и п а вулканогенных
массивов р а с с м а т р и в а ­
ются геологические структуры п р е и м у щ е с т в е н н о складчатых о б ­
ластей, с л о ж е н н ы е в у л к а н о г е н н ы м и и в у л к а н о г е н н о - о с а д о ч н ы м и
п о р о д а м и . В качестве т и п и ч н ы х вулканогенных
массивов
обычно
рассматриваются районы современной и неоген-четвертичной
(реже более р а н н е й ) в у л к а н и ч е с к о й деятельности с р а с п р о с т р а н е -
http://geoschool.web.ru
280
Часть III. О с н о в ы р е г и о н а л ь н о й г и д р о г е о л о г и и
нием н е п о с р е д с т в е н н о с поверхности в у л к а н о г е н н ы х и в у л к а н о генно-осадочных пород (андезиты, базальты, андезитодациты
и др., а также т у ф ы , т у ф о б р е к ч и и , п е м з ы , ш л а к и и другие п и р о класты). Р а й о н ы этого типа ш и р о к о распространены на Камчатке,
Курильских островах, М а л о м Кавказе, в И т а л и и , И с л а н д и и и д р .
М о р ф о л о г и ч е с к и р а й о н ы р а с п р о с т р а н е н и я этих п о р о д могут
быть представлены л а в о в ы м и п о к р о в а м и и потоками, о б р а з у ю щ и ­
ми вулканические массивы, нагорья, плато, о с л о ж н е н н ы е эруптив­
н ы м и к у п о л а м и , т е р р а с о в и д н ы м и уступами и я з ы к а м и л а в о в ы х
потоков, связанных с эрозионными долинами, врезанными в бо­
лее д р е в н и е л а в о в ы е п о к р о в ы или в п о д с т и л а ю щ и е п о р о д ы . Раз­
рез таких о б р а з о в а н и й может б ы т ь представлен л а в о й е д и н и ч н о г о
и з л и я н и я или с л о ж н о п о с т р о е н н ы м и т о л щ а м и п е р е с л а и в а н и я л а ­
вовых тел н е с к о л ь к и х ц и к л о в и з л и я н и я , п р о с л о е в п и р о к л а с т о в и
резко и з м е н е н н ы х д е л ю в и а л ь н ы х о б р а з о в а н и й , о б р а з у ю щ и х с я на
поверхности л а в о в ы х п о к р о в о в р а з л и ч н о г о возраста. О б щ а я м о щ ­
ность таких с л о ж н о построенных вулканических т о л щ может д о с ­
тигать 800—1200 м и более. Видимая м о щ н о с т ь м и о ц е н - н и ж н е п л и ­
о ц е н о в о й ф о р м а ц и и пластобазальтов И с л а н д и и , п р е д с т а в л е н н о й
субаэральными лавовыми покровами и вулканогенно-осадочными о б р а з о в а н и я м и р а з н о г о т и п а , достигает 7—10 к м . М о щ н о с т ь
отдельных л а в о в ы х п о т о к о в д о 20—50 м и более ( М а р и н о в и др.,
1989).
В гидрогеологической литературе районы этого тина нередко носят странное
название "гидрогеологические суперструктуры": вулканогенные супербассейны
и вулканогенные супермассивы (Зайцев, 1986).
Вероятно, в этом случае применение приставки "супер" является неоправ­
данным. Определение "вулканогенный" достаточно полно отражает геологиче­
скую природу районов этого типа ("вулканогенный бассейн", по В.А. Кирюхину
и Н.И. Толстихину, 1987). Однако в связи с тем, что для гидрогеологических
районов этого типа практически всегда характерно преимущественное распрост­
ранение трещинных типов подземных вод, вероятно, наиболее правильным яв­
ляется название "вулканогенный массив".
Среди в у л к а н о г е н н ы х м а с с и в о в по р а з л и ч и ю условий ф о р м и ­
р о в а н и я п о д з е м н ы х вод могут б ы т ь в ы д е л е н ы д в а х а р а к т е р н ы х
подтипа: р а й о н ы " п р е д ы д у щ е й " ( н е о г е н - ч е т в е р т и ч н о й или более
ранней) вулканической деятельности и районы современного
вулканизма.
Районы неоген-четвертичной
вулканической деятельности. П р и
отсутствии с о в р е м е н н о й в у л к а н и ч е с к о й д е я т е л ь н о с т и п р о н и ц а е ­
мость л а в и в у л к а н о г е н н о - о с а д о ч н ы х о б р а з о в а н и й о п р е д е л я е т с я
трещиноватостью и пористостью, формировавшейся при остыва­
н и и л а в , и р ы х л ы м с л о ж е н и е м п и р о к л а с т о в . В з а в и с и м о с т и от ус­
л о в и й и з л и я н и я и о с т ы в а н и я л а в их п о р и с т о с т ь и т р е щ и н о в а -
http://geoschool.web.ru
Глава 1 1 . Г и д р о г е о л о г и ч е с к и е м а с с и в ы и складчатые о б л а с т и
281
тость и з м е н я ю т с я в ш и р о к и х пределах. Наряду с м о н о л и т н ы м и
слаботрещиноватыми (практически "водоупорными") участками
лавовых тел х а р а к т е р н о с у щ е с т в о в а н и е л а в , в которых и н т е н с и в ­
ная о т к р ы т а я (до 1,5—5,0 см и более) т р е щ и н о в а т о с т ь развита на
всю м о щ н о с т ь . О с о б е н н о в ы с о к о й п р о н и ц а е м о с т ь ю характеризу­
ются л а в о в ы е т е л а с р а з в и т и е м и н т е н с и в н о й с и н г е н е т и ч е с к о й
т р е щ и н о в а т о с т и ( с т о л б ч а т а я , г л ы б о в а я , п л и т ч а т а я и другие о т ­
дельности). Проницаемость вулканогенно-осадочных образова­
н и й и з м е н я е т с я в з а в и с и м о с т и от с о д е р ж а н и я т о н к о д и с п е р с н о г о
материала и степени уплотнения. В связи с этим глинистые туфы,
т у ф о б р е к ч и и , п е п л ы и другие породы нередко я в л я ю т с я п р а к т и ­
чески " в о д о у п о р н ы м и " . Часто с л а б о п р о н и ц а е м ы е " э к р а н ы " обра­
зуются также на поверхности лавового покрова в результате о п л а в ­
ления при следующем и з л и я н и и и кольматации зоны э к з о г е н н о й
трещиноватости, вулканогенно-осадочных образований и делю­
виальных пород. С к в а ж н о с т ь и п р о н и ц а е м о с т ь пород этого т и п а
зависят также от их возраста и с н и ж а ю т с я от молодых в у л к а н о ­
генных пород к более д р е в н и м в связи с процессами кольматации
и цементации т р е щ и н н о г о и порового пространства и уплотнения.
П о э т о м у в качестве т и п и ч н ы х в у л к а н о г е н н ы х б а с с е й н о в о б ы ч н о
рассматриваются р а й о н ы распространения молодых неоген-четвер­
т и ч н ы х , в отдельных случаях палеогеновых, э ф ф у з и в н ы х пород.
В целом с к в а ж н о с т ь ( т р е щ и н н о - п о р о в а я пустотность) вулкано­
генных и в у л к а н о г е н н о - о с а д о ч н ы х п о р о д и з м е н я е т с я от 2,0—3,0
до 20% и более. П р о н и ц а е м о с т ь от менее 10~ д о 150 м/сут и более.
Т а к , п о и м е ю щ и м с я д а н н ы м ( L i n d h o l m , Vaccaro, 1988), м а к с и ­
м а л ь н а я п р о н и ц а е м о с т ь базальтов в р а й о н е л а в о в о г о плато К о ­
лумбия ( С Ш А ) достигает п р и м е р н о 3000 м/сут при п р е о б л а д а ю ­
щ и х з н а ч е н и я х 150—1500 м / с у т . В е р т и к а л ь н а я ( " м е ж с л о е в а я " )
проницаемость интенсивно измененных "оплавлением" осадоч­
ных пород и п и р о к л а с т о в и з м е н я е т с я от п • 10~ д о п • 10~ м/сут.
Характер обводненности вулканогенных толщ определяется
климатическими условиями территории, рельефом, мощностью и
у с л о в и я м и их з а л е г а н и я , х а р а к т е р о м " п е р е с л а и в а н и я " в разрезе
высокопроницаемых и относительно водоупорных пород, нали­
чием э р у п т и в н ы х куполов и зон т е к т о н и ч е с к и х н а р у ш е н и й и д р .
В условиях р а с п р о с т р а н е н и я о д н о г о п о к р о в а (потока) л а в ы су­
щ е с т в е н н о в а ж н ы м является характер п о д с т и л а ю щ и х пород. П р и
значительной проницаемости пород фундамента даже высоко­
п р о н и ц а е м ы е л а в ы при их о г р а н и ч е н н о й м о щ н о с т и о к а з ы в а ю т с я
практически безводными, поскольку водоносный горизонт ф о р ­
мируется н и ж е в породах, п о д с т и л а ю щ и х л а в ы . О с о б е н н о часто
такие условия наблюдаются в засушливых районах в связи с о т н о 2
2
http://geoschool.web.ru
6
282
Часть III. О с н о в ы р е г и о н а л ь н о й г и д р о г е о л о г и и
сительно м а л ы м и величинами атмосферного питания. П р и н и з к о й
п р о н и ц а е м о с т и ф у н д а м е н т а в т р е щ и н о в а т ы х лавах ф о р м и р у ю т с я
о б в о д н е н н ы е зоны ( н е р а в н о м е р н о р а с п р о с т р а н е н н ы й водоносный
горизонт), с в я з а н н ы е с участками р а с п р о с т р а н е н и я в ы с о к о п р о н и ­
цаемых л а в и п о н и ж е н и я м и на поверхности п о д с т и л а ю щ и х пород
( г и д р о г р а ф и ч е с к а я сеть, с у щ е с т в о в а в ш а я д о и з л и я н и я л а в , в п а д и ­
ны и л о ж б и н ы р а з л и ч н о г о генезиса и др.).
В сложно построенных толщах вулканогенных и вулканоген­
н о - о с а д о ч н ы х пород з н а ч и т е л ь н о й м о щ н о с т и ф о р м и р о в а н и е о б ­
водненных зон определяется положением высокопроницаемых
(интенсивно трещиноватые лавы, пирокласты и осадочные поро­
ды с в ы с о к о й п о р и с т о с т ь ю и др.) и о т н о с и т е л ь н о в о д о у п о р н ы х
прослоев. В связи с р е з к о н е в ы д е р ж а н н ы м р а с п р о с т р а н е н и е м в о доупоров и наличием м н о г о ч и с л е н н ы х "гидрогеологических о к о н "
в толщах в у л к а н о г е н н ы х пород, к а к п р а в и л о , ф о р м и р у е т с я с и с т е ­
ма с л о ж н о в з а и м о с в я з а н н ы х н а д - , м е ж - и п о д л а в о в ы х п о т о к о в
п о д з е м н ы х вод.
На одних участках разреза в связи с отсутствием в о д о у п о р н ы х
" э к р а н о в " или н и з к о й п р о н и ц а е м о с т ь ю п о р о д ы я в л я ю т с я п р а к ­
т и ч е с к и б е з в о д н ы м и . На других — в и н т е н с и в н о т р е щ и н о в а т ы х
лавах или в ы с о к о п о р и с т ы х п и р о к л а с т а х ф о р м и р у ю т с я м о щ н ы е
п о т о к и " п л а с т о в о - т р е щ и н н ы х " п о д з е м н ы х вод, д в и ж е н и е к о т о ­
рых о п р е д е л я е т с я к о н ф и г у р а ц и е й п р о н и ц а е м ы х з о н и р е л ь е ф о м
п о д с т и л а ю щ е й с л а б о п р о н и ц а е м о й поверхности. Л а т е р а л ь н ы е гра­
д и е н т ы таких п о т о к о в и з м е н я ю т с я в пределах 0,005—0,01 и более.
В ряде случаев с к в а ж и н ы в с к р ы в а ю т н а п о р н ы е п о д з е м н ы е воды
типа м е ж п л а с т о в ы х (рис. 11.4).
Питание т р е щ и н н ы х вод в у л к а н о г е н н ы х м а с с и в о в ф о р м и р у е т ­
ся за счет и н ф и л ь т р а ц и и а т м о с ф е р н ы х осадков и п о г л о щ е н и я п о ­
верхностных водотоков, образующихся в периоды интенсивного
выпадения осадков и снеготаяния. О с о б е н н о благоприятные усло­
вия а т м о с ф е р н о г о питания характерны д л я участков поверхностно­
го распространения и н т е н с и в н о трещиноватых л а в и участков, на
которых вулканические породы перекрыты развалами камней и
г л ы б о в ы м и н а к о п л е н и я м и м о щ н о с т ь ю 20—25 м и более. Н а т а ­
ких участках п р а к т и ч е с к и все а т м о с ф е р н ы е о с а д к и (за в ы ч е т о м
и с п а р е н и я ) расходуются на п и т а н и е п о д з е м н ы х вод. П о д а н н ы м
к о л и ч е с т в е н н ы х о ц е н о к на базальтовых нагорьях и плато в усло­
виях д о с т а т о ч н о г о у в л а ж н е н и я с р е д н и е в е л и ч и н ы п и т а н и я п о д ­
з е м н ы х вод д о с т и г а ю т 200—350 м м / г о д и более, что составляет д о
40—50% годовой с у м м ы о с а д к о в ( М а л ы й К а в к а з , л а в о в о е плато
К о л у м б и я и др.).
http://geoschool.web.ru
Глава 1 1 . Г и д р о г е о л о г и ч е с к и е м а с с и в ы и с к л а д ч а т ы е о б л а с т и
283
I I I I I I II
5 Я
2[
r T T
T^3p^4|>'-^5[JT']6|
/^\7\
-43 | 8 |
J i ] 9 | I | I |70
Рис. 11.4. Схематический гидрогеологический разрез вулканогенного массива:
/ — трещиноватые вулканические породы; 2 — пирокласты (туфы, туфобрекчии и др.); 3 — слабопроницаемые "экраны": участки поверхности лавовых
"потоков", оплавленные при последующем излиянии, прослои слаботрещино­
ватых лав и др.; 4 — валунно-глыбовые образования; 5 — над-, меж- и подлавовые потоки трещинных подземных вод; 6 — участки интенсивного питания
подземных вод; 7 — положение уровней подземных вод; 8 — источники и груп­
повые выходы подземных вод; 9 — местный напор подземных вод; 10 — породы
"основания"
Разгрузка п о д з е м н ы х вод ф о р м и р у е т с я в о с н о в н о м в виде р о д ­
н и к о в и к р у п н ы х групповых выходов, к о т о р ы е с в я з а н ы с в ы к л и ­
н и в а н и е м н а д - и м е ж л а в о в ы х п о т о к о в . О с н о в н ы е участки и з о н ы
разгрузки о б ы ч н о с в я з а н ы с о с к л о н а м и э р о з и о н н ы х врезов и ус­
т у п а м и л а в о в ы х п л а т о и т е р р а с , на к о т о р ы х п о в е р х н о с т ь з е м л и
вскрывает контакты водоносных и слабопроницаемых пород
(см. гл. 7). П р и с л о ж н о м с т р о е н и и р а з р е з а на в ы с о к и х уступах
часто наблюдаются ярусно р а с п о л о ж е н н ы е участки разгрузки
п о д з е м н ы х вод с выходами р о д н и к о в на р а з н о в ы с о т н ы х отметках.
Расходы о д и н о ч н ы х выходов и з м е н я ю т с я от менее 1,0 д о 10—
15 л / с . С у м м а р н ы е дебиты групповых выходов, дренирующих м о щ ­
ные п о т о к и т р е щ и н н ы х п о д з е м н ы х вод, д о с т и г а ю т 1000—2000 л / с
и более. Т а к , с у м м а р н ы й д е б и т группового выхода С о в д ж у р - М е ц а м о р с к и х и с т о ч н и к о в ( М а л ы й К а в к а з ) достигает 20 м / с С у м ­
марный дебит источников, связанных с базальтами Гавайских
островов, достигает 110—140 м / с ( К и р ю х и н , Т о л с т и х и н , 1987).
В районах с н е д о с т а т о ч н ы м у в л а ж н е н и е м ( Ю г о - В о с т о ч н а я А ф ­
рика) породы в у л к а н о г е н н ы х плато характеризуются пестрой и в
ряде случаев слабой о б в о д н е н н о с т ь ю . Глубины з а л е г а н и я п о д з е м ­
ных вод н е р е д к о д о с т и г а ю т 50—90 м и более, м н о г и е с к в а ж и н ы
оказываются б е з в о д н ы м и . Д е б и т ы р о д н и к о в изменяются от 0,01 д о
3,0—5,0 л / с , групповые выходы, к а к и с к л ю ч е н и е , и м е ю т расходы
20—25 л / с ( М а р и н о в и д р . , 1978).
3
3
http://geoschool.web.ru
Часть III. О с н о в ы р е г и о н а л ь н о й г и д р о г е о л о г и и
284
В связи с благоприятными условиями водообмена и слабой
р а с т в о р и м о с т ь ю в о д о в м е щ а ю щ и х пород для в у л к а н о г е н н ы х м а с ­
с и в о в в областях и з б ы т о ч н о г о и д о с т а т о ч н о г о у в л а ж н е н и я харак­
терно широкое распространение ультрапресных и пресных пре­
и м у щ е с т в е н н о г и д р о к а р б о н а т н ы х н а т р и е в о - к а л ь ц и е в ы х вод с
м и н е р а л и з а ц и е й от 0,02—0,1 ( г о р н ы е р а й о н ы ) д о 0,3—0,5 г / л .
С зонами тектонических нарушений, вулканическими жерлами и
участками оруднения нередко связаны выходы более глубоких
п о д з е м н ы х вод с м и н е р а л и з а ц и е й д о 3—5 г / л . С о с т а в вод О ,
S 0 — C I , H C 0 — S 0 , N a , N a — С а . М и к р о к о м п о н е н т н ы й состав
представлен A l , M n , Z n , N i и д р у г и м и , газовый состав — N , Н е ,
С 0 , H S.
В условиях р а й о н о в с н е д о с т а т о ч н ы м у в л а ж н е н и е м п о д з е м н ы е
воды вулканогенных и вулканогенно-осадочных пород имеют пест­
рый состав. Наряду с пресными (менее 1,0 г/л) ш и р о к о распростра­
нены воды с м и н е р а л и з а ц и е й 3—5 г/л, в редких случаях д о 30 г/л
и более. С о с т а в вод CI, S 0 — N a , C a ; C I — N a .
Подземные воды областей современного вулканизма. П о д з е м н ы е
воды вулканогенных массивов с п р о я в л е н и е м процессов с о в р е м е н ­
ного вулканизма наряду с р а с с м о т р е н н ы м и в ы ш е з а к о н о м е р н о с ­
т я м и х а р а к т е р и з у ю т с я в ряде случаев а н о м а л ь н ы м г е о т е р м и ч е ­
ским режимом и с п е ц и ф и ч е с к и м х и м и ч е с к и м и газовым составом,
связанными с вулканической деятельностью.
В верхней части разреза в т р е щ и н о в а т ы х лавах и п и р о к л а с т и ческих о б р а з о в а н и я х ф о р м и р у ю т с я и н ф и л ь т р а ц и о н н ы е м а л о м и ­
н е р а л и з о в а н н ы е (0,1—0,25 г / л ) п о д з е м н ы е в о д ы , г и д р о д и н а м и ­
ч е с к и й р е ж и м и х и м и ч е с к и й с о с т а в к о т о р ы х т и п и ч е н д л я этих
пород (см. в ы ш е ) .
В р а й о н а х в о з д е й с т в и я а к т и в н ы х в у л к а н и ч е с к и х о ч а г о в и на
участках гидротермального и з м е н е н и я горных пород в зонах совре­
менного тектонического д р о б л е н и я и контактов существуют усло­
вия д л я ф о р м и р о в а н и я т е р м а л ь н ы х вод г л у б и н н о й (1500—2000 м,
в о з м о ж н о более) ц и р к у л я ц и и , и м е ю щ и х с п е ц и ф и ч е с к и й х и м и ­
ческий и газовый состав.
Основными факторами, определяющими формирование под­
з е м н ы х вод этого типа, я в л я ю т с я ( И в а н о в , 1976):
4
3
4
2
2
2
4
•
•
•
н а л и ч и е к и с л ы х в ы с о к о т е м п е р а т у р н ы х в у л к а н и ч е с к и х газов,
п о д н и м а ю щ и х с я на поверхность и ч а с т и ч н о с м е ш и в а ю щ и х с я с
п о д з е м н ы м и водами;
влияние интенсивных термометаморфических процессов в зо­
нах, п р и м ы к а ю щ и х к м а г м а т и ч е с к и м очагам;
н а л и ч и е а н о м а л ь н о в ы с о к и х т е м п е р а т у р на о т н о с и т е л ь н о н е ­
б о л ь ш и х глубинах;
http://geoschool.web.ru
Глава 11. Г и д р о г е о л о г и ч е с к и е м а с с и в ы и с к л а д ч а т ы е о б л а с т и
•
285
формирование высокопроницаемых новейших разломов, обес­
печивающих, с одной стороны, возможности глубокой и н ­
ф и л ь т р а ц и и а т м о с ф е р н ы х вод, и с другой — выход на поверх­
ность в ы с о к о н а п о р н ы х т е р м а л ь н ы х вод, а в зонах воздействия
а к т и в н ы х в у л к а н и ч е с к и х очагов и в ы с о к о т е м п е р а т у р н ы х вул­
к а н и ч е с к и х газов.
Выходы в ы с о к о т е м п е р а т у р н ы х п о з е м н ы х вод на п о в е р х н о с т ь
п р о я в л я ю т с я в виде т е р м а л ь н ы х , нередко " к и п я щ и х " и с т о ч н и к о в
и п а р о в о д я н ы х струй, в ряде случаев с гейзерным режимом ф о н т а ­
нирования. Дебиты крупных термальных источников достигают
10—15 л / с , в отдельных случаях — 50—100 л / с . Температуры под­
земных вод на выходе и з м е н я ю т с я от 20—35 д о 100°С (Восточная
Камчатка). На глубинах 1000—1500 м температуры п о д з е м н ы х вод
достигают 200—350°С и более ( К а м ч а т к а , Я п о н и я , М е к с и к а , И т а ­
л и я и др.).
Х и м и ч е с к и й состав и м и н е р а л и з а ц и я п о д з е м н ы х вод в з а в и с и ­
мости от г л у б и н ы ц и р к у л я ц и и и в л и я н и я в у л к а н и ч е с к и х газов
и з м е н я ю т с я в ш и р о к и х пределах (табл. 11.3). П р и в е д е н н ы е д а н ­
н ы е с в и д е т е л ь с т в у ю т о т о м , ч т о воды т е р м а л ь н ы х и с т о ч н и к о в
и м е ю т п р е и м у щ е с т в е н н о с л а б у ю м и н е р а л и з а ц и ю (2,0—5,0 г / л ) .
Высокие (60—80 г/л и более) з н а ч е н и я м и н е р а л и з а ц и и характерны
т о л ь к о для п р и р о д н ы х к о н д е н с а т о в в у л к а н и ч е с к и х газов. С о с т а в
подземных вод п р е и м у щ е с т в е н н о S 0 , S 0 — С 1 и С1. Наиболее с п е ­
ц и ф и ч е с к и м является к а т и о н н ы й состав подземных вод, связанных
с д е й с т в у ю щ и м и вулканическими п р о я в л е н и я м и , в котором в ряде
случаев преобладают и о н ы A l , Н , Fe, N H . Х а р а к т е р н ы м т а к ж е
является кислый состав этих вод с р Н от менее 1 д о 2,9—3,3.
4
4
4
И с к л ю ч е н и е м я в л я ю т с я азотно-углекислые
и азотные
термы,
образующие крупные месторождения высокотемпературных под­
земных вод, которые п р о я в л я ю т с я на поверхности м о щ н ы м и (до
50—100 л / с и более) группами и с т о ч н и к о в . М и н е р а л и з а ц и я этих
вод и з м е н я е т с я от 0,4—1,5 г/л ( а з о т н ы е т е р м ы ) д о 2,0—5,0 г / л ,
состав п р е и м у щ е с т в е н н о CI, S 0 — ( N a + K ) , C I — ( N a + K ) , р Н 8—9,2
(табл. 11.3). Газовый состав п о д з е м н ы х вод р а й о н о в с о в р е м е н н о й
вулканической д е я т е л ь н о с т и может б ы т ь представлен с е р о в о д о р о ­
дом, азотом, углекислым газом, реже метаном и водородом.
П о с о в р е м е н н ы м п р е д с т а в л е н и я м ( И . К . З а й ц е в , В.В. И в а н о в
и др.) б о л ь ш и н с т в о т и п о в п о д з е м н ы х вод р а й о н о в в у л к а н и ч е с к о й
деятельности я в л я ю т с я современными инфильтрационными
водами.
Высокие температуры п о д з е м н ы х вод с в я з а н ы с их глубокой (до
1000—2000 м, в о з м о ж н о глубже) ф и л ь т р а ц и е й вблизи м а г м а т и ч е ­
ских очагов по системам н о в е й ш и х т е к т о н и ч е с к и х разломов. О т ­
н о с и т е л ь н о н и з к а я м и н е р а л и з а ц и я п о д з е м н ы х вод о б ъ я с н я е т с я
4
http://geoschool.web.ru
Часть III. О с н о в ы р е г и о н а л ь н о й г и д р о г е о л о г и и
286
слабой р а с т в о р и м о с т ь ю (даже п р и высоких температурах) о с н о в ­
ных т и п о в в у л к а н о г е н н ы х пород. С п е ц и ф и ч е с к и й х и м и ч е с к и й и
газовый состав этих вод и н и з к и е в е л и ч и н ы р Н с в я з а н ы с в ы щ е ­
л а ч и в а н и е м м и н е р а л ь н ы х в к л ю ч е н и й и главным образом с п р о ­
ц е с с а м и с м е ш е н и я (в р а з л и ч н ы х п р о п о р ц и я х ) с к о н д е н с а т а м и
вулканических газов.
Таблица 11.3
Ионный состав, экв.%
97
2,2
СаЗб; Na27; Mg 23
43
2,7
Al 49; Са 25; H 23
67
6,4
H43; Al 32
90
1,9
(Na + K)51; Ca 20
55,6
3,9
AI27; (Na + K) 26; Fe 17
2,4
0,43
100
66,8
CI 99
H98
-0,36
0,06
100
2,4
(Na + K) 94; Ca 5
8,7
0,33
0,5
2,2
0,15
1,5
0.4
2,6
0,13
3
2,9
2
Источник желези­
S0 88
4
стый, о. Парамушир
S0 84
Серноиодскис ис­
4
точники, о. Итуруп
Головинские источ­
ники, о. Кунашир
S 0 60 + H S 0 40
4
ники. Камчатка
4
(S0 + HS0 )97
Дзензурские источ­
4
Источник Кислый
4
CI 66; (S0 +HS0 )34
4
ключ, о. Кунашир
Природный конден­
сат вулканических
газов, влк. Эбеко,
о. Парамушир
Гейзер Великан,
Камчатка
X
Q.
Содержание
H SiQ , г/л
Минерализация,
г/л
Пункт
наблюдений
Температура, °С
Х и м и ч е с к и й состав т е р м а л ь н ы х и с т о ч н и к о в
К а м ч а т к и и К у р и л ь с к и х о с т р о в о в (Иванов, 1976)
4
CI 83; S 0 8
4
Благодаря с п е ц и ф и ч е с к о м у х и м и ч е с к о м у и газовому составу, а
также в ы с о к и м температурам м н о г и е т и п ы п о д з е м н ы х вод о б л а с ­
тей с о в р е м е н н о г о в у л к а н и з м а я в л я ю т с я минеральными лечебными и
термоэнергетическими
водами (см. гл. 15).
Рассмотренные в ы ш е о с н о в н ы е т и п ы гидрогеологических р а й о ­
нов складчатых областей свидетельствуют о т о м , ч т о д л я н и х х а ­
р а к т е р н о ш и р о к о е р а з н о о б р а з и е т и п о в п о д з е м н ы х вод, у с л о в и й
http://geoschool.web.ru
Глава 12. П о д з е м н ы е воды о б л а с т и р а с п р о с т р а н е н и я . . . ( к р и о л и т о з о н ы )
287
их р а с п р о с т р а н е н и я и ф о р м и р о в а н и я . В з а в и с и м о с т и от возраста
складчатой о б л а с т и , ее г е о л о г и ч е с к о г о с т р о е н и я и р е л ь е ф а о н а
всегда п р е д с т а в л я е т с о б о й б о л е е или м е н е е с л о ж н у ю с о в о к у п ­
ность гидрогеологических р а й о н о в разного типа. В то же в р е м я ,
как б ы л о п о к а з а н о в ы ш е , даже в пределах о д н о т и п н ы х р а й о н о в в
з а в и с и м о с т и от их р а з м е р о в , с т р о е н и я гидрогеологического р а з ­
реза, рельефа и т.д. условия ф о р м и р о в а н и я п о д з е м н ы х вод могут
с у щ е с т в е н н о различаться.
Вопросы к главе 11
1. Гидрогеологические
массивы. Условия распространения
и фор­
мирования основных типов подземных вод.
2. Основные типы гидрогеологических
районов складчатых
облас­
тей.
3. Артезианские
бассейны межгорного типа.
Гидродинамическая
зональность "конусов
выноса".
4. Формирование подземных вод районов "переходного" типа (адмассивы и адбассейны).
5. Вулканогенные
массивы. Условия залегания
и
формирования
подземных вод.
6. Формирование
химического
состава подземных
вод
районов
современной вулканической
деятельности.
Глава
12
ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ
ОБЛАСТИ Р А С П Р О С Т Р А Н Е Н И Я
МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОД
(КРИОЛИТОЗОНЫ)
Многолетнемерзлыми
породами ( М М П ) , с о г л а с н о о п р е д е л е н и ю
Н . И . Т о л с т и х и н а и Н.А. Ц и т о в и ч а , н а з ы в а ю т с я г о р н ы е п о р о д ы ,
и м е ю щ и е о т р и ц а т е л ь н у ю или нулевую температуру, с о д е р ж а щ и е
воду в к р и с т а л л и ч е с к о м с о с т о я н и и (в виде льда) и с о х р а н я ю щ и е ­
ся в т а к о м с о с т о я н и и в т е ч е н и е м н о г и х лет, веков и т ы с я ч е л е т и й
( О с н о в ы гидрогеологии, 1983).
Горные породы, промерзавшие в сухом состоянии и не содержащие в связи с
этим льда, называются морозными (П.Ф. Швецов).
На т е р р и т о р и и н а ш е й с т р а н ы о б щ а я п л о щ а д ь р а с п р о с т р а н е ­
ния м н о г о л е т н е м е р з л ы х пород составляет о к о л о 10 млн к м , т.е.
2
http://geoschool.web.ru
288
Часть III. О с н о в ы р е г и о н а л ь н о й г и д р о г е о л о г и и
более 60% т е р р и т о р и и . З о н а л ь н о с т ь р а с п р о с т р а н е н и я М М П , их
м о щ н о с т и и температуры п о к а з а н ы на р и с . 12.1. В целом на т е р ­
р и т о р и и з е м н о г о шара м н о г о л е т н е м е р з л ы е породы р а с п р о с т р а н е ­
ны на п л о щ а д и более 35 млн к м , о к о л о 25% с у ш и ( Е р ш о в , 2002).
М о щ н о с т ь м н о г о л е т н е м е р з л ы х п о р о д и з м е н я е т с я от п е р в ы х
метров вблизи ю ж н о й г р а н и ц ы их р а с п р о с т р а н е н и я д о 100—700 м
в северных р а й о н а х З а п а д н о - С и б и р с к о й и В о с т о ч н о - С и б и р с к о й
а р т е з и а н с к и х о б л а с т е й . М о щ н о с т ь М М П м е н я е т с я здесь д о с т а ­
т о ч н о с и л ь н о в з а в и с и м о с т и от рельефа, характера р а с т и т е л ь н о с ­
ти, с т р о е н и я гидрогеологического разреза и др. В пределах м а с с и ­
вов к р и с т а л л и ч е с к и х пород и в г о р н о - с к л а д ч а т ы х областях Вос­
т о ч н о й С и б и р и м о щ н о с т ь М М П в ряде случаев достигает 1000 м.
и более. В а р т е з и а н с к и х б а с с е й н а х Восточной С и б и р и ( О л е н е к с к и й , Катуйский и др., см. рис. 10.1) м о щ н о с т ь М М П относитель­
но невелика (200—300 м) в связи с т е м , что на этих глубинах и
н и ж е по разрезу р а с п р о с т р а н е н ы п р е и м у щ е с т в е н н о с о л е н ы е воды
и рассолы, не з а м е р з а ю щ и е при температурах д о минус 3,0—5,0°С
и менее. Н и ж е п о д о ш в ы М М П в этих бассейнах ш и р о к о р а с п р о ­
с т р а н е н ы о х л а ж д е н н ы е ( н и ж е 0°С) г о р н ы е п о р о д ы , с о д е р ж а щ и е
так н а з ы в а е м ы е к р и о г а л и н н ы е воды ( к р и о п э г и ) с о т р и ц а т е л ь н ы ­
ми т е м п е р а т у р а м и .
2
Разрез т о л щ и м н о г о л е т н е м е р з л ы х п о р о д может б ы т ь п р а к т и ­
чески с п л о ш н ы м или с л о и с т ы м , с о д е р ж а щ и м талые (г>0°С) слои
или слои о х л а ж д е н н ы х пород с к р и о г а л и н н ы м и водами. В ряде
р а й о н о в (север П е ч о р с к о г о б а с с е й н а , З а п а д н а я С и б и р ь и др.) у с ­
т а н о в л е н о двухслойное
с т р о е н и е т о л щ и М М П , когда п о д с л о е м
с о в р е м е н н о й мерзлоты с " р а з р ы в о м " на глубинах от 80 д о 200—
250 м р а с п р о с т р а н е н а реликтовая т о л щ а м н о г о л е т н е м е р з л ы х п о ­
род, м о щ н о с т ь которых может достигать 200—300 м и более.
И с с л е д о в а н и е п о д з е м н ы х вод области р а с п р о с т р а н е н и я м н о ­
голетнемерзлых пород связано с именами российских ученых
А.И. К а л а б и н а , А.В. Л ь в о в а , Н . Н . Р о м а н о в с к о г о , М . И . С у м г и н а ,
Н.И. Толстихина, С М . Фотиева, П.Ф. Швецова и др. Суммируя
и м е ю щ и е с я п р е д с т а в л е н и я , м о ж н о считать, что о с н о в н ы м и о с о ­
б е н н о с т я м и гидрогеологических условий этой т е р р и т о р и и в о т л и ­
чие от р а й о н о в с отсутствием М М П я в л я ю т с я с л е д у ю щ и е :
1) в пределах области р а с п р о с т р а н е н и я М М П з н а ч и т е л ь н ы й
объем с в о б о д н ы х г р а в и т а ц и о н н ы х п о д з е м н ы х вод п о с т о я н ­
но находится в твердом состоянии и тем с а м ы м ( в р е м е н н о с
точки з р е н и я геологической истории этих р а й о н о в ) и с к л ю ­
чается из о б щ е г о круговорота воды в л и т о с ф е р е ;
http://geoschool.web.ru
cp
ср
Рис. 12.1. Схема распространения многолетнемерзлых пород ( М М П ) на территории России (по К.А. Конд­
ратьевой, 1976): 1 — зона редкоостровного, островного и массивно-островного распространения М М П
со среднегодовыми температурами (г ) +3...-ГС и мощностью т мерзлых толщ от 0 до 100 м; 2—5 — зона
сплошного распространения ММП: 2 — t — l...-3°C, т — 50—300 м; 3 — / -3...-5°С, т — 100—400 м;
4 — / -5...-9°С, т — 200-600 м; 5 - t ниже -9°С, т — 400-900 м и более; б — границы зон М М П ;
7 — южная граница криолитозоны
Глава 12. П о д з е м н ы е воды о б л а с т и р а с п р о с т р а н е н и я . . . ( к р и о л и т о з о н ы )
http://geoschool.web.ru
289
290
Часть III. О с н о в ы р е г и о н а л ь н о й г и д р о г е о л о г и и
2) м е р з л ы е г о р н ы е породы с т е м п е р а т у р а м и н и ж е 0°С я в л я ю т ­
ся непроницаемыми
для с в о б о д н ы х г р а в и т а ц и о н н ы х п о д з е м ­
ных вод (за и с к л ю ч е н и е м к р и о г а л и н н ы х ) и могут рассмат­
риваться в качестве криогенных водоупоров. П о л о ж е н и е п о д ­
з е м н ы х вод о т н о с и т е л ь н о т о л щ и (водоупорных) М М П о п ­
ределяет р а з л и ч н ы е условия их ф о р м и р о в а н и я , что служит
о с н о в о й для к л а с с и ф и к а ц и и п о д з е м н ы х вод к р и о л и т о з о н ы ;
3) р а с п р о с т р а н е н и е п р а к т и ч е с к и с поверхности земли д о глу­
б и н 200—300 м, а в ряде случаев д о 1000 м и более н е п р о ­
н и ц а е м ы х мерзлых п о р о д с т е м п е р а т у р а м и н и ж е 0°С п р и в о ­
дит к резким изменениям гидродинамических, гидрохими­
ческих и г и д р о т е р м и ч е с к и х условий ф о р м и р о в а н и я всех т и ­
пов п о д з е м н ы х вод, о п р е д е л я я глубокое " к р и о г е н н о е " п р е ­
о б р а з о в а н и е г и д р о г е о л о г и ч е с к и х структур. В с в я з и с э т и м
а р т е з и а н с к и е б а с с е й н ы , гидрогеологические м а с с и в ы и дру­
гие т и п ы г и д р о г е о л о г и ч е с к и х р а й о н о в в п р е д е л а х з о н ы
сплошного распространения М М П значительной мощности
д о л ж н ы р а с с м а т р и в а т ь с я ( Н . Н . Р о м а н о в с к и й и др.) в ка­
честве с п е ц и ф и ч е с к и х криогидрогеологических структур
(криоартезианские бассейны, криогидрогеологические мас­
с и в ы и др.).
12.1. Основные типы подземных вод
области распространения ММП
П е р в а я к л а с с и ф и к а ц и я п о д з е м н ы х вод области р а с п р о с т р а ­
н е н и я М М П была п р е д л о ж е н а в 1941 г. Н . И . Т о л с т и х и н ы м , кото­
р ы м по у с л о в и я м залегания п о д з е м н ы х вод о т н о с и т е л ь н о т о л щ и
м н о г о л е т н е м е р з л ы х п о р о д б ы л и в ы д е л е н ы : надмерзлотные,
межмермотные
и подмерзлотные
п о д з е м н ы е воды. Во всех последую­
щих классификациях представления Н.И. Толстихина главным
образом уточнялись и детализировались. Н.Н. Романовский в
1966 г. п р е д л о ж и л п о д р а з д е л я т ь п о д з е м н ы е в о д ы в м н о г о л е т н е ­
мерзлых породах на пять т и п о в : н а д м е р з л о т н ы е , м е ж м е р з л о т н ы е ,
в н у т р и м е р з л о т н ы е , п о д м е р з л о т н ы е и воды с к в о з н ы х т а л и к о в ы х
з о н . В н а с т о я щ е е время и м е н н о э т о п о д р а з д е л е н и е о б ы ч н о ис­
пользуется при х а р а к т е р и с т и к е т и п о в п о д з е м н ы х вод области рас­
пространения М М П .
Условия залегания п е р е ч и с л е н н ы х т и п о в п о д з е м н ы х вод и их
в з а и м о д е й с т в и е с м н о г о л е т н е м е р з л ы м и п о р о д а м и п о к а з а н ы на
рис. 12.2.
http://geoschool.web.ru
Глава 12. П о д з е м н ы е в о д ы о б л а с т и р а с п р о с т р а н е н и я . . . ( к р и о л и т о з о н ы )
Б
291
Ж
Рис. 12.2. Схема залегания различных по отношению к ММП типов подземных
вод (по Н.Н. Романовскому, 1983): А — надмерзлотные воды СТС; Б — воды
сквозного дождевально-радиапионного талика; В — надмерзлотные воды подозерного несквозного талика; Г — воды сквозного подруслового талика; Е —
межмерзлотные воды; Ж — подмерзлотные воды неконтактирующие безнапор­
ные; 3 — подмерзлотные воды неконтактирующие напорные; И — подмерзлот­
ные воды контактирующие напорные; К — надмерзлотные воды несквозного
дождевально-радиационного талика; / — изверженные трещиноватые породы;
2 — щебень и дресва; 3 — суглинки; 4 — пески, галечники; J — многолетнемерзлые породы и их граница; 6 — обводненность пород постоянная (а), периоди­
ческая (б). 7 — стрелка — направление движения подземных вод; 8 — подошва
СТС (б) и C M C (а); 9 — скважины, стрелкой показана глубина появления и
установившийся уровень подземных вод
Надмерзлотными,
согласно определению Н.И. Толстихина, на­
зываются п о д з е м н ы е воды, з а л е г а ю щ и е над т о л щ е й м н о г о л е т н е ­
мерзлых пород, над ее верхней границей. П р и неглубоком (до 10—
15 м) з а л е г а н и и м н о г о л е т н е м е р з л ы х п о р о д их т о л щ а я в л я е т с я
о б ы ч н о в о д о у п о р н ы м о с н о в а н и е м ( п о д о ш в о й ) для н а д м е р з л о т н ы х
вод. В соответствии с п р е д с т а в л е н и я м и Н . Н . Р о м а н о в с к о г о (1983)
в качестве о с н о в н ы х п о д т и п о в н а д м е р з л о т н ы х вод д о л ж н ы р а с ­
сматриваться воды сезонно-талого
слоя ( С Т С ) и воды
несквозных
таликов. Воды с е з о н н о - т а л о г о слоя (слой с е з о н н о г о о т т а и в а н и я ,
д е я т е л ь н ы й слой и др.) ф о р м и р у ю т с я в с а м о й верхней, о т т а и в а ю ­
щей в л е т н и й п е р и о д части разреза и с в я з а н ы , к а к п р а в и л о , с
рыхлыми четвертичными образованиями различного генезиса и
состава. П о у с л о в и я м залегания о н и образуют п е р в ы й от поверх­
ности земли с е з о н н о с у щ е с т в у ю щ и й г о р и з о н т б е з н а п о р н ы х вод
http://geoschool.web.ru
Часть III. О с н о в ы р е г и о н а л ь н о й г и д р о г е о л о г и и
292
1
типа грунтовых. М о щ н о с т ь водоносного горизонта С Т С в з а в и с и ­
мости от к л и м а т и ч е с к и х условий, рельефа, состава в о д о в м е щ а ю ­
щих пород и других ф а к т о р о в изменяется от 0,1—0,5 м в северных
р а й о н а х д о 2—3 м и более в ю ж н ы х р а й о н а х р а с п р о с т р а н е н и я
М М П . Время существования водоносного горизонта с севера на юг
территории изменяется от 2—3 д о 10—11 месяцев в году ( Р о м а н о в ­
с к и й , 1983).
Условия ф о р м и р о в а н и я вод С Т С о п р е д е л я ю т с я у с л о в и я м и их
залегания. П и т а н и е п о д з е м н ы х вод (в л е т н и й период) п р о и с х о д и т
за счет и н ф и л ь т р а ц и и а т м о с ф е р н ы х о с а д к о в и к о н д е н с а ц и и в о ­
д я н о г о п а р а . П о д а н н ы м В.В. К л и м о ч к и н а , В.Е. А ф а н а с е н к о ,
И.Т. Р е й н ю к а , в е л и ч и н ы к о н д е н с а ц и о н н о г о п и т а н и я за л е т н и й
период и з м е н я ю т с я от 20 д о 80 м м / г о д , что составляет д о 7—30%
от с у м м а р н о й в е л и ч и н ы их п и т а н и я . Разгрузка осуществляется в
виде м а л о д е б и т н ы х и с т о ч н и к о в , м н о г о ч и с л е н н ы х в ы с а ч и в а н и й
или ф и л ь т р а ц и е й в г и д р о г р а ф и ч е с к у ю сеть. Залегая в с а м о й верх­
ней части разреза, п о д з е м н ы е воды С Т С о б ы ч н о настолько тесно
с в я з а н ы с п о в е р х н о с т н ы м и водами (озера, болота, с к л о н о в ы й п о ­
верхностный сток и др.), что " п е р е х о д " одного вида воды в другой
осуществляется п р а к т и ч е с к и п о в с е м е с т н о .
М и н е р а л и з а ц и я и х и м и ч е с к и й состав подземных вод С Т С о п р е ­
деляются условиями их залегания и тесной связью с а т м о с ф е р н ы ­
ми и поверхностными водами. К а к правило, эти воды характеризу­
ются н и з к о й м и н е р а л и з а ц и е й (от 10—15 д о 200—250 м г / л , реже
более) и п р е и м у щ е с т в е н н о г и д р о к а р б о н а т н ы м составом. В с п е ц и ­
ф и ч е с к и х условиях ф о р м и р у ю т с я м а л о м и н е р а л и з о в а н н ы е гидрокарбонатно-кремнистые воды, в которых относительно высокое
с о д е р ж а н и е S i 0 с в я з а н о , к а к п р а в и л о , с отсутствием в породах
С Т С к а р б о н а т н ы х или с у л ь ф а т н ы х с о е д и н е н и й (разрез представ­
л е н т о р ф а м и или т о р ф о м и н е р а л ь н ы м и о б р а з о в а н и я м и с м а л ы м
с о д е р ж а н и е м или отсутствием к а р б о н а т о в ) ( с м . гл. 4). В целом
для вод С Т С х а р а к т е р н о о т н о с и т е л ь н о п о в ы ш е н н о е с о д е р ж а н и е
о р г а н и ч е с к и х веществ и газов а т м о с ф е р н о г о п р о и с х о ж д е н и я (N-,,
0 , СО,).
Воды с о т н о с и т е л ь н о б о л е е в ы с о к о й м и н е р а л и з а ц и е й (2,0—
3,0 г/л и более) с у л ь ф а т н о - х л о р и д н о г о и х л о р и д н о г о состава в ус­
л о в и я х С Т С могут б ы т ь с в я з а н ы г л а в н ы м о б р а з о м с у ч а с т к а м и
разгрузки более глубоких ( м е ж м е р з л о т н ы х , п о д м е р з л о т н ы х ) п о д 2
2
1
В связи с относительно малой мощностью и сезонным характером суще­
ствования воды СТС в ряде случаев рассматриваются как "верховодка". Однако
исходя из определения (см. гл. 7) это неверно, так как верховодка формируется
в зоне аэрации выше постоянно существующего уровня фунтового водоносного
горизонта.
http://geoschool.web.ru
Глава 12. П о д з е м н ы е в о д ы о б л а с т и р а с п р о с т р а н е н и я . . . ( к р и о л и т о з о н ы )
293
з е м н ы х вод; с э л ю в и а л ь н о - д е л ю в и а л ь н ы м и о т л о ж е н и я м и , ф о р м и ­
р у ю щ и м и с я на г и п с - а н г и д р и т о в ы х т о л щ а х и л и з а г и п с о в а н н ы х
к а р б о н а т н ы х породах; с у ч а с т к а м и к о н т и н е н т а л ь н о г о з а с о л е н и я
(Центральная Якутия, Южное Забайкалье); с отложениями совре­
м е н н ы х и верхнечетвертичных м о р с к и х террас (побережье с е в е р ­
ных м о р е й ) ; а т а к ж е с у ч а с т к а м и и н т е н с и в н о г о а н т р о п о г е н н о г о
з а г р я з н е н и я вод С Т С .
Несквозными тсмиками называются, к а к правило, о г р а н и ч е н н ы е
по площади участки в пределах территории с неглубоким (I—3 м)
с п л о ш н ы м з а л е г а н и е м М М П , на к о т о р ы х м о щ н о с т ь талых ( н е промерзающих) пород больше (значительно больше) мощности
слоя с е з о н н о г о п р о м е р з а н и я (от п о в е р х н о с т и з е м л и д о к р о в л и
М М П ) . Н а т а к и х участках в з и м н и й п е р и о д п р о м е р з а е т т о л ь к о
верхняя часть разреза, а н и ж е (до кровли М М П ) г о р н ы е п о р о д ы
и с о д е р ж а щ и е с я в н и х п о д з е м н ы е воды п о с т о я н н о и л и в течение
достаточно длительных (многолетних) периодов сохраняются в
талом с о с т о я н и и . Т а к и м образом, н е с к в о з н ы е талики представляют
собой к а к бы " и з о л и р о в а н н ы е п о н и ж е н и я " п о в е р х н о с т и М М П ,
ф о р м и р о в а н и е к о т о р ы х о б ы ч н о с в я з а н о с воздействием местных
о т е п л я ю щ и х ф а к т о р о в (см. р и с . 12.2).
К л а с с и ф и к а ц и я и подробная характеристика таликов, в том
числе и несквозных, приведены в работе Н . Н . Романовского (1983).
По факторам, о к а з ы в а ю щ и м местное отепляющее воздействие,
им в ы д е л е н о с е м ь т и п о в т а л и к о в : р а д и а ц и о н н о - т е п л о в ы е , гидро­
генные (подводно-тепловые), гидрогеогенные (водно-тепловые),
гляциальные, химогенные, вулканогенные и техногенные.
По условиям залегания подземные воды субаэральных н е ­
сквозных таликов являются, как правило, грунтовыми безнапор­
н ы м и ; п о характеру р е ж и м а — п о с т о я н н о (в т е ч е н и е д л и т е л ь н о г о
в р е м е н и ) с у щ е с т в у ю щ и м и н е п р о м е р з а ю щ и м и или ч а с т и ч н о п р о ­
м е р з а ю щ и м и ( O . K . Ланге, Н . И . Толстихин, О.Н. Толстихин). В от­
дельных случаях м о щ н о с т ь подрусловых и подозерных несквозных
т а л и к о в может достигать 40—50 м и более. П о д з е м н ы е воды п о д ­
русловых, подозерных и с у б м а р и н н ы х несквозных таликов о б ы ч н о
обладают н а п о р о м , в е л и ч и н а к о т о р о г о определяется п о л о ж е н и е м
уровня п о в е р х н о с т н ы х вод.
Условия питания и разгрузки п о д з е м н ы х вод н е с к в о з н ы х т а л и ­
ков, их г и д р о д и н а м и ч е с к и й р е ж и м , ф о р м и р о в а н и е х и м и ч е с к о г о
состава и м и н е р а л и з а ц и и о п р е д е л я ю т с я т и п о м ( п о д т и п о м , к л а с ­
сом) талика. Д л я с у б а э р а л ь н ы х т а л и к о в о н и о п р е д е л я ю т с я глав­
ным образом условиями формирования атмосферного питания
( и н ф и л ь т р а ц и я , к о н д е н с а ц и я ) и р а з г р у з к о й в виде и с т о ч н и к о в ,
в ы с а ч и в а н и й , и с п а р е н и я и т р а н с п и р а ц и и , р у с л о в о й разгрузки в
малые водотоки и д р . ; д л я субаквальных т и п о в (подрусловые, п о -
http://geoschool.web.ru
294
Часть III. О с н о в ы р е г и о н а л ь н о й г и д р о г е о л о г и и
д о з е р н ы е др.) — у р о в е н н ы м р е ж и м о м п о в е р х н о с т н ы х вод, харак­
тером и з м е н е н и я расходов п о с т о я н н ы х и в р е м е н н ы х в о д о т о к о в ,
р е ж и м о м п р о м е р з а н и я поверхностных вод и д р .
В б о л ь ш и н с т в е случаев д л я н е с к в о з н ы х т а л и к о в (кроме субмар и н н ы х , подозерных в котловинах соленых озер, некоторых т и п о в
х и м о г е н н ы х и т е х н о г е н н ы х ) характерно ф о р м и р о в а н и е с л а б о м и ­
н е р а л и з о в а н н ы х (до 200—300 м г / л ) п о д з е м н ы х вод г и д р о к а р б о ­
натного кальциевого (Са—Mg) состава. Состав и минерализа­
ция п о д з е м н ы х вод не отличаются п р и н ц и п и а л ь н о от вод С Т С и
п о в е р х н о с т н ы х вод т е р р и т о р и и . И с к л ю ч е н и е могут с о с т а в л я т ь
участки р а з г р у з к и м и н е р а л и з о в а н н ы х м е ж м е р з л о т н ы х вод, т р е щ и н н о - к а р с т о в ы е воды с у л ь ф а т н ы х пород, участки и н т е н с и в н о г о
а н т р о п о г е н н о г о з а г р я з н е н и я и д р . В котловинах п е р е м е р з а ю щ и х
и пересыхающих озер и под аласами в результате процессов к р и о ­
генной м е т а м о р ф и з а ц и и ( к о н ц е н т р и р о в а н и я ) могут быть распрост­
р а н е н ы п р е и м у щ е с т в е н н о х л о р и д н ы е воды с м и н е р а л и з а ц и е й до
20 г/л и более ( А ф а н а с е н к о , 2000).
В южных районах распространения М М П при относительно
более глубоком (до 10—15 м и более) залегании их кровли в верх­
ней части разреза (выше кровли М М П ) о б ы ч н о формируется
" н о р м а л ь н ы й " п о с т о я н н о существующий горизонт ф у н т о в ы х вод,
для которого кровля М М П является н и ж н и м водоупором. П о ус­
л о в и я м з а л е г а н и я о т н о с и т е л ь н о т о л щ и М М П п о д з е м н ы е воды
д а н н о г о горизонта т а к ж е я в л я ю т с я надмерзлотными,
о д н а к о усло­
вия их р а с п р о с т р а н е н и я и г и д р о д и н а м и ч е с к и й р е ж и м с у щ е с т в е н ­
но отличаются от вод С Т С и вод н е с к в о з н ы х т а л и к о в . В з а в и с и ­
мости от с о о т н о ш е н и я глубины залегания уровня грунтовых вод
и м о щ н о с т и слоя с е з о н н о г о п р о м е р з а н и я грунтовые воды этого
типа могут б ы т ь частично промерзающими
или
непромерзающими
(O.K. Ланге, Н.И. Толстихин, О.Н. Толстихин).
При залегании кровли М М П на глубинах 100—200 м и более
(реликтовые т о л щ и М М П ) подземные воды верхней части разреза
по условиям залегания также я в л я ю т с я н а д м е р з л о т н ы м и . О д н а к о
в этом случае г и д р о г е о л о г и ч е с к и й разрез над верхней г р а н и ц е й
М М П м о ж е т в к л ю ч а т ь не т о л ь к о г р у н т о в ы е , н о и з а л е г а ю щ и е
ниже напорные водоносные горизонты.
Режим надмерзлотных подземных вод определяется их относи­
тельно неглубоким залеганием и тесной связью с поверхностными
водами. Д л я вод С Т С о н в р е ш а ю щ е й степени определяется режи­
м о м п р о м е р з а н и я и о т т а и в а н и я горных пород. В л е т н и й период
(существование с о б с т в е н н о водоносного горизонта С Т С ) измене­
ния уровня подземных вод в целом незначительны в связи с малы-
http://geoschool.web.ru
Глава 12. П о д з е м н ы е в о д ы о б л а с т и р а с п р о с т р а н е н и я . . . ( к р и о л и т о з о н ы )
295
ми глубинами залегания; колебания температур с в я з а н ы главным
образом с воздействием климатических ф а к т о р о в . С п е ц и ф и ч е с к о й
о с о б е н н о с т ь ю г и д р о д и н а м и ч е с к о г о р е ж и м а н а д м е р з л о т н ы х вод
(воды С Т С и ч а с т и ч н о п р о м е р з а ю щ и х н е с к в о з н ы х т а л и к о в ) я в л я ­
ется ф о р м и р о в а н и е криогенного напора. П р о м е р з а н и е в о д о н о с н о г о
горизонта с поверхности земли приводит к увеличению объема
(твердой ф а з ы по с р а в н е н и ю с ж и д к о й ) . П р и отсутствии условий
для ф о р м и р о в а н и я оттока п о д з е м н ы х вод ( в о д о о б м е н с поверх­
ностью затруднен в связи с п р о м е р з а н и е м почвенного слоя) увели­
чивается давление в н е п р о м е р з ш е й части водоносного горизонта.
Это в с в о ю очередь обусловливает о т н о с и т е л ь н ы й подъем у р о в ­
ней п о д з е м н ы х вод ( п р и н а б л ю д е н и и в с к в а ж и н а х и к о л о д ц а х ) ,
не с в я з а н н ы й в д а н н о м случае с п о п о л н е н и е м з а п а с о в ( п и т а н и е м )
подземных вод и ф о р м и р о в а н и е бугров пучения при отжатии
подземных вод к участкам, п р о м е р з а ю щ и м в более поздние сроки
(Общее м е р з л о т о в е д е н и е , 1981; и др.). С п е ц и ф и ч е с к о й ( к р и о г е н ­
ной) особенностью гидродинамического режима участков суба э р а л ь н о й разгрузки н а д м е р з л о т н ы х (также м е ж - и п о д м е р з л о т ных) вод является в о з м о ж н о е у в е л и ч е н и е д е б и т о в и с т о ч н и к о в в
период осенне-зимнего промерзания С Т С . При промерзании с
поверхности земли в этом случае ч а с т и ч н о п р о м е р з а ю т и участки
выхода п о д з е м н ы х вод ( м е л к и е и с т о ч н и к и , в ы с а ч и в а н и я и т.д.),
что в о п р е д е л е н н ы х условиях вызывает в р е м е н н о е у в е л и ч е н и е д е ­
битов на о с н о в н ы х участках разгрузки п о д з е м н ы х вод.
П о д з е м н ы е воды сквозных таликов. С к в о з н ы м и н а з ы в а ю т с я т а ­
л и к и и т а л и к о в ы е (талые) з о н ы , " п р о н и з ы в а ю щ и е " ( п р о р ы в а ю ­
щие) всю толщу м н о г о л е т н е м е р з л ы х пород от их кровли д о п о ­
д о ш в ы ( Р о м а н о в с к и й , 1983). Размеры таких т а л и к о в и талых з о н ,
их к о н ф и г у р а ц и я в плане и разрезе могут существенно различаться
и и з м е н я ю т с я от крупных " с л и в а ю щ и х с я " талых участков и п л о ­
щадей в районах р а с п р о с т р а н е н и я островных и прерывистых мерз­
лых т о л щ д о узких щ е л е й , к а н а л о в , ж и л и других ф о р м в р а й о н а х
сплошного р а с п р о с т р а н е н и я м о щ н ы х т о л щ М М П (см. р и с . 12.2).
П о т е м п е р а т у р н о м у р е ж и м у п о д з е м н ы е воды с к в о з н ы х т а л и ­
ков п о д р а з д е л я ю т с я н а " т е п л ы е " с т е м п е р а т у р а м и в ы ш е 0°С и
" х о л о д н ы е " криогалинные,
сохраняющиеся в жидком состоянии
(при ? < 0 ° С ) в связи с их о т н о с и т е л ь н о в ы с о к о й м и н е р а л и з а ц и е й .
Т и п ы , п о д т и п ы и классы с к в о з н ы х т а л и к о в и талых з о н а н а ­
л о г и ч н ы р а с с м о т р е н н ы м в ы ш е ( Р о м а н о в с к и й , 1983). В условиях
области р а с п р о с т р а н е н и я М М П , о с о б е н н о при их сплошном р а с ­
п р о с т р а н е н и и , с к в о з н ы е т а л и к и и талые з о н ы являются в а ж н е й ­
шим гидрогеологическим ф а к т о р о м , о б е с п е ч и в а ю щ и м в с о в р е м е н -
http://geoschool.web.ru
296
Часть III. О с н о в ы р е г и о н а л ь н о й г и д р о г е о л о г и и
ных условиях гидродинамическое взаимодействие, а также п р о ц е с ­
сы т е п л о - и м а с с о о б м е н а между п о в е р х н о с т н ы м и н а д - , м е ж - и
п о д м е р з л о т н ы м и п о д з е м н ы м и водами.
С точки зрения условий ф о р м и р о в а н и я с о в р е м е н н о й структуры
п о т о к о в п о д з е м н ы х вод в р а й о н а х р а з л и ч н о г о т и п а (см. гл. 10, 11)
и взаимодействия меж- и подмерзлотных подземных вод с поверх­
н о с т н ы м и и н а д м е р з л о т н ы м и водами п р и н ц и п и а л ь н о в а ж н ы м я в ­
л я е т с я п о д р а з д е л е н и е с к в о з н ы х т а л и к о в на в о д о п о г л о щ а ю щ и е
(участки н и с х о д я щ е г о " п о в е р х н о с т н о г о " п и т а н и я ) и " в о д о в ы в о д я щ и е " , с к о т о р ы м и связана в о б щ е м случае восходящая
разгрузка
п о д з е м н ы х вод ( Н . Н . Р о м а н о в с к и й , С М . Ф о т и е в и др.). П е р в ы е
относятся к так называемому классу и н ф и л ь т р а ц и о н н ы х ( и н ф л ю а ц и о н н ы х ) с к в о з н ы х т а л и к о в ( Р о м а н о в с к и й , 1983), к о т о р ы е по
ф а к т о р а м , о к а з ы в а ю щ и м о т е п л я ю щ е е воздействие (тип т а л и к а ) ,
могут б ы т ь р а з л и ч н ы м и . Н а и б о л е е ш и р о к о р а с п р о с т р а н е н н ы м и ,
особенно в районах островного и прерывистого распространения
М М П , я в л я ю т с я инфильтрационные
сквозные талики радиационно-теплового типа (радиационный и дождевально-радиационный
подтипы), п р и у р о ч е н н ы е к относительно п о в ы ш е н н ы м участ­
кам т е р р и т о р и и ( ц е н т р а л ь н ы е у ч а с т к и и с к л о н ы м е ж д у р е ч н ы х
пространств, в ы с о к и е террасы к р у п н ы х р е ч н ы х д о л и н и др.). И н ­
т е н с и в н о с т ь п и т а н и я п о д з е м н ы х вод в этом случае определяется
р а з м е р а м и талых участков, х а р а к т е р о м у в л а ж н е н и я п о в е р х н о с т и
земли в период отсутствия слоя с е з о н н о г о п р о м е р з а н и я , в е л и ч и ­
нами и характером распределения фильтрационных параметров
разреза, а т а к ж е с о о т н о ш е н и е м градиентов в е р т и к а л ь н о й н и с х о ­
д я щ е й ф и л ь т р а ц и и (см. гл. 5).
Ш и р о к о е р а с п р о с т р а н е н и е при р а з л и ч н о м характере развития
и м о щ н о с т и М М П и м е ю т также и н ф и л ь т р а ц и о н н ы е т а л и к и гид­
рогенного т и п а ( п о д о з е р н ы й , подрусловой, п о й м е н н ы й п о д т и п ы ) ,
о д н а к о в этом случае условия ( н а п р а в л е н и е ) в з а и м о д е й с т в и я по­
в е р х н о с т н ы х и п о д з е м н ы х вод о п р е д е л я ю т с я с о о т н о ш е н и е м их
уровней и и з м е н е н и я м и этого с о о т н о ш е н и я в р а з л и ч н ы е сезоны
года. Исходя из о б щ и х о с о б е н н о с т е й в з а и м о д е й с т в и я поверхност­
ных и подземных вод, хорошо изученных в районах с отсутствием
М М П (см. гл. 5, 7), м о ж н о предполагать, что и н ф и л ь т р а ц и о н н ы е
сквозные талики гидрогенного типа должны быть характерны
главным образом для с л а б о в р е з а н н ы х речных д о л и н или озерных
котловин с относительно в ы с о к и м и (для д а н н о г о района) отметка­
ми уровней поверхностных вод (верховья гидрографической сети,
водораздельные озера, в р е м е н н ы е водотоки на с к л о н а х междуреч­
ных п р о с т р а н с т в или поверхности высоких террас и т.д.), а также
http://geoschool.web.ru
Глава 12. П о д з е м н ы е в о д ы о б л а с т и р а с п р о с т р а н е н и я . . . ( к р и о л и т о з о н ы )
297
для участков с ф о р м и р о в а н и е м в н у т р и б а с с е й н о в о г о п е р е р а с п р е ­
д е л е н и я речного стока. В то же время к р у п н ы е г л у б о к о в р е з а н н ы е
д о л и н ы р е к I—II порядка и глубокие о з е р н ы е к о т л о в и н ы с " н и з ­
к и м " п о л о ж е н и е м у р о в н я п о в е р х н о с т н ы х вод я в л я ю т с я п р е и м у ­
щ е с т в е н н о у ч а с т к а м и в о с х о д я щ е й р а з г р у з к и п о д з е м н ы х вод, в
связи с чем здесь в о с н о в н о м ф о р м и р у ю т с я с к в о з н ы е т а л и к и напорно-филыпрационного
класса ( Р о м а н о в с к и й , 1983). В у с л о в и я х
р а с п р о с т р а н е н и я М М П схемы с о о т н о ш е н и я уровней поверхност­
ных и п о д з е м н ы х вод в о п р е д е л е н н ы х условиях могут б ы т ь более
сложными.
С к в о з н ы е т а л и к и с восходящей с у б в е р т и к а л ь н о й ф и л ь т р а ц и е й
(разгрузкой) н а п о р н ы х м е ж - и п о д м е р з л о т н ы х п о д з е м н ы х вод от­
носятся Н.Н. Р о м а н о в с к и м к классу
напорно-фильтрационных.
С к в о з н ы е т а л и к и этого класса в ы д е л е н ы во всех р а с с м а т р и в а е м ы х
типах и подтипах т а л и к о в . О д н а к о наиболее ш и р о к о р а с п р о с т р а ­
ненными и существенными с точки зрения процессов региональ­
ной д и н а м и к и м е ж - и п о д м е р з л о т н ы х вод, н е с о м н е н н о , я в л я ю т с я
с к в о з н ы е т а л и к и гидрогенного и гидрогеогенного т и п о в , а также
с п е ц и ф и ч е с к и й тип "вулканогенных"
таликов, образование кото­
рых чаще всего с в я з а н о с восходящей разгрузкой н а п о р н ы х т е р ­
мальных вод (области с о в р е м е н н о г о вулканизма).
В о т л и ч и е от т а л и к о в и н ф и л ь т р а ц и о н н о г о класса, с к о т о р ы м и
с в я з а н ы п р е и м у щ е с т в е н н о п р е с н ы е п о д з е м н ы е воды г и д р о к а р б о ­
натного к а л ь ц и е в о г о ( С а — M g и др.) состава ( и с к л ю ч е н и е могут
составлять талики, ф о р м и р у ю щ и е с я под солеными озерами или с о ­
л о н ч а к а м и , и с п е ц и ф и ч е с к и е техногенные талики), со с к в о з н ы м и
т а л и к а м и н а п о р н о - ф и л ь т р а ц и о н н о г о класса могут б ы т ь п о т е н ц и ­
ально с в я з а н ы п о д з е м н ы е воды л ю б о г о состава и м и н е р а л и з а ц и и .
Исходя из з а к о н о м е р н о с т е й и з м е н е н и я состава и м и н е р а л и з а ц и и
п о д з е м н ы х вод, н а и б о л е е п о л н о и з у ч е н н ы х в р а й о н а х с отсутст­
вием М М П , со с к в о з н ы м и н а п о р н о - ф и л ь т р а ц и о н н ы м и т а л и к а м и
с у б м а р и н н о г о , подэстуариевого, подруслового (в к р у п н ы х р е ч н ы х
долинах п л а т ф о р м е н н ы х территорий с м о щ н ы м и т о л щ а м и М М П )
п о д т и п о в д о л ж н а б ы т ь с в я з а н а г л а в н ы м о б р а з о м разгрузка х л о ­
р и д н ы х н а т р и е в ы х ( S 0 — C I , С а — N a и др.) м и н е р а л и з о в а н н ы х
вод и рассолов. В этих условиях в о з м о ж н о ш и р о к о е распростране­
ние с к в о з н ы х т а л и к о в с субвертикальной восходящей разгрузкой
холодных ( к р и о г а л и н н ы х ) п о д з е м н ы х вод. И м е ю щ и е с я ф а к т и ч е ­
ские д а н н ы е свидетельствуют о том, что в ряде р а й о н о в (например,
в Восточной С и б и р и ) разгрузка м и н е р а л и з о в а н н ы х к р и о г а л и н н ы х
вод и рассолов, с в я з а н н а я со с к в о з н ы м и н а п о р н о - ф и л ь т р а ц и о н ­
н ы м и т а л и к а м и , ф и к с и р у е т с я д о с т а т о ч н о часто.
4
http://geoschool.web.ru
Часть III. О с н о в ы р е г и о н а л ь н о й г и д р о г е о л о г и и
298
Характерными проявлениями, связанными с участками раз­
грузки п о д з е м н ы х вод по т а л и к а м н а п о р н о - ф и л ь т р а ц и о н н о г о и
других т и п о в , я в л я ю т с я полыньи и наледи^. Полыньями называются
не з а м е р з ш и е в з и м н и й период ( с в о б о д н ы е от льда) участки русел
рек или поверхности озер, с в я з а н н ы е о б ы ч н о с о т е п л я ю щ и м воз­
действием сосредоточенных субаквальных выходов подземных вод.
Р а з м е р ы п о л ы н е й , я в л я ю щ и х с я в д а н н о м случае и н д и к а т о р а м и
мест русловой или озерной разгрузки в з и м н и й период, и з м е н я ю т ­
ся от н е с к о л ь к и х квадратных метров д о участков русел п р о т я ж е н ­
н о с т ь ю в н е с к о л ь к о к и л о м е т р о в при н а л и ч и и к р у п н о д е б и т н ы х
выходов п о д з е м н ы х вод.
Наледи представляют собой л е д я н ы е тела п л о с к о й ф о р м ы , о б ­
р а з у ю щ и е с я в з и м н и й период на поверхности земли или льда в
связи с и з л и я н и я м и п о д з е м н ы х , р е ч н ы х , о з е р н ы х , м о р с к и х или
т е х н о г е н н ы х вод. П р и ч и н ы и у с л о в и я о б р а з о в а н и я н а л е д е й , их
характеристики и ф о р м и р о в а н и е п о д р о б н о р а с с м о т р е н ы Н . Н . Р о ­
м а н о в с к и м (1983).
В л и я н и е разгрузки п о д з е м н ы х вод на ф о р м и р о в а н и е наледей в
з а в и с и м о с т и от ее т и п о в и р а с п р е д е л е н и я в е л и ч и н м о ж е т б ы т ь
р а з л и ч н ы м . Ф о р м и р о в а н и е наледи может б ы т ь н е п о с р е д с т в е н н о
с в я з а н о с к о н к р е т н ы м выходом п о д з е м н ы х вод в виде и с т о ч н и к а ,
группы и с т о ч н и к о в , участка с р а с с р е д о т о ч е н н о й разгрузкой п о д ­
земных вод и т.д. Режим ф о р м и р о в а н и я (роста) наледи и ее р а з ­
меры о п р е д е л я ю т с я в этом случае р е ж и м о м дебита естественного
в о д о п р о я в л е н и я и с у м м а р н ы м о б ъ е м о м разгрузки за время ф о р ­
м и р о в а н и я наледи. Н а л и ч и е наледей этого т и п а или с п е ц и ф и ч е ­
ского н а л е д н о г о л а н д ш а ф т а является показателем с у щ е с т в о в а н и я
участков разгрузки п о д з е м н ы х вод, а в е л и ч и н ы с у м м а р н о й р а з ­
грузки (среднее з н а ч е н и е за п е р и о д ф о р м и р о в а н и я наледи) могут
быть приблизительно о ц е н е н ы через объем наледи а = — , где а —At
среднее с у м м а р н о е з н а ч е н и е дебита, м / с у т , V — объем наледи в
3
пересчете на объем ж и д к о й ф а з ы , Аг — время ф о р м и р о в а н и я н а ­
леди. Ф о р м и р о в а н и е наледей этого т и п а н а и б о л е е характерно для
районов распространения высокопроницаемых отложений (ин­
тенсивно-трещиноватые и закарстованные породы, крупнообло1
Полыньи и наледи как явление, сопутствующее разгрузке подземных вод,
характерны для районов с отрицательными температурами в зимний период и
вне области распространения ММП. Однако в условиях этой области в связи с
продолжительностью зимнего периода, наличием низких температур, локализа­
цией (сосредоточенные выходы) разгрузки подземных вод по зонам таликов эти
явления выражены более резко.
http://geoschool.web.ru
Глава 12. П о д з е м н ы е воды о б л а с т и р а с п р о с т р а н е н и я . . . ( к р и о л и т о з о н ы )
299
м о ч н ы е отложения межгорных впадин и др.), с которыми связаны
м н о г о ч и с л е н н ы е , в том числе к р у п н о д е б и т н ы е , выходы п о д з е м ­
ных вод.
В других случаях ф о р м и р о в а н и е наледей может б ы т ь с в я з а н о с
п р о р ы в а м и п о д з е м н ы х вод на поверхность земли при их п р о м е р ­
з а н и и в С Т С . К а к б ы л о у к а з а н о в ы ш е , процесс п р о м е р з а н и я п р и ­
водит к ф о р м и р о в а н и ю и з б ы т о ч н ы х пластовых д а в л е н и й , в связи
с чем на о с л а б л е н н ы х участках происходят п р о р ы в ы п о д з е м н ы х
вод и излив их на поверхность земли с ф о р м и р о в а н и е м наледи.
В процессе последовательного п р о м е р з а н и я С Т С подобные п р о р ы ­
вы воды на поверхность могут происходить м н о г о к р а т н о в одном
или в р а з л и ч н ы х местах, что п р и в о д и т к ф о р м и р о в а н и ю слоистых
л е д я н ы х тел и н а л е д н ы х бугров. П р и в н е д р е н и и " о т ж и м а ю щ и х ­
с я " вод или п о д з е м н ы х вод, р а з г р у ж а ю щ и х с я по т а л и к а м , между
поверхностью многолетнемерзлой толщи и промерзшей частью
С Т С ф о р м и р у ю т с я п о д з е м н ы е н а л е д н ы е тела и так н а з ы в а е м ы е
гидролакколиты
( Р о м а н о в с к и й , 1983).
К р у п н ы е наледи часто образуются в речных д о л и н а х в связи с
п р о м е р з а н и е м на отдельных участках русел рек и ручьев. П о в е р х ­
н о с т н ы е в о д ы , ф о р м и р у ю щ и е р у с л о в о й сток, встречая л е д я н у ю
п е р е м ы ч к у ( п р о м е р з ш и й участок русла), и з л и в а ю т с я на п о в е р х ­
ность и, р а с п р о с т р а н я я с ь по п о в е р х н о с т и льда и п о й м е р е ч н о й
д о л и н ы , образуют н а л е д н ы е тела р а з л и ч н о й ф о р м ы и р а з м е р о в .
В о т л и ч и е от н а л е д е й , н е п о с р е д с т в е н н о с в я з а н н ы х с у ч а с т к а м и
р а з г р у з к и п о д з е м н ы х вод, н а л е д и у к а з а н н о г о т и п а о т н о с я т с я
Н . Н . Р о м а н о в с к и м к т а к н а з ы в а е м ы м гидрогенным,
формирую­
щ и м с я за счет излива и п р о м е р з а н и я п о в е р х н о с т н ы х в о д . О д н а к о
п р о м е р з а н и е рек и ручьев и о б р а з о в а н и е наледей п р о и с х о д я т в
период, когда весь русловой с т о к ф о р м и р у е т с я т а к ж е за счет р а з ­
грузки п о д з е м н ы х вод, п о с к о л ь к у с о б с т в е н н о п о в е р х н о с т н о е п и ­
т а н и е р е к ( ж и д к и е а т м о с ф е р н ы е о с а д к и , с к л о н о в ы й с т о к и др.)
в районах р а с п р о с т р а н е н и я М М П в з и м н и й период отсутствует.
В о т л и ч и е от н а л е д е й , н е п о с р е д с т в е н н о с в я з а н н ы х с у ч а с т к а м и
разгрузки п о д з е м н ы х вод, наледь такого типа аккумулирует под­
земные воды, разгрузка которых происходит рассредоточенно в пре­
делах всей площади водосбора, р а с п о л о ж е н н о й в ы ш е места ф о р ­
мирования наледи (между двумя н а л е д н ы м и участками и т.д.). И в
этом случае объем наледи дает представление о с у м м а р н о й в е л и ­
чине разгрузки п о д з е м н ы х вод в пределах п л о щ а д и водосбора, ее
1
1
Условия формирования гидрогенных наледей другого типа (озерные, мор­
ские и др.) здесь не рассматриваются.
http://geoschool.web.ru
Часть III. О с н о в ы р е г и о н а л ь н о й г и д р о г е о л о г и и
300
средних з н а ч е н и я х за время ф о р м и р о в а н и я наледи и т.д. ( Т о л с т и ­
хин, 1974; С о к о л о в 1975; и др.). О д н а к о в этом случае место п о ­
л о ж е н и я наледи не является показателем участка разгрузки п о д ­
з е м н ы х вод.
В зависимости от гидрогеологических условий территории,
с у м м а р н ы х д е б и т о в разгрузки и т и п а наледей их р а з м е р ы и з м е н я ­
ются в ч р е з в ы ч а й н о ш и р о к и х пределах. М о щ н о с т ь наледного
льда и з м е н я е т с я от н е с к о л ь к и х д е с я т к о в с а н т и м е т р о в д о 7—10 м;
п л о щ а д и наледей — от н е с к о л ь к и х метров д о 50—80 к м ; о б ъ е м ы
льда — с о о т в е т с т в е н н о от н е с к о л ь к и х метров д о д е с я т к о в м и л ­
л и о н о в кубометров. Так, объем самой крупной Большой М о м ской наледи в б а с с е й н е р . И н д и г и р к и достигает в отдельные годы
200 млн м ( Н . И . Т о л с т и х и н , О . Н . Т о л с т и х и н ) . М н о г и е к р у п н ы е
наледи с е в е р н ы х и в ы с о к о г о р н ы х р а й о н о в о б л а с т и р а с п р о с т р а ­
н е н и я М М П не успевают растаять в течение л е т н е г о периода и
существуют к а к многолетние наледи ( Р о м а н о в с к и й , 1983).
2
3
Межмерзлотные
и внутримерзлотные
п о д з е м н ы е воды. Меж­
мерзлотными
н а з ы в а ю т с я п о д з е м н ы е воды, с в я з а н н ы е с в о д о н о с ­
ными слоями, зонами трещиноватости или закарстованности
и т.д., о г р а н и ч е н н ы м и (условно) сверху и снизу т о л щ а м и М М П .
Ф о р м ы контакта о б в о д н е н н ы х слоев и з о н могут быть д о с т а т о ч н о
с л о ж н ы м и , но во всех случаях межмерзлотные воды и м е ю т гидрав­
л и ч е с к у ю связь с н а д м е р з л о т н ы м и или п о д м е р з л о т н ы м и п о д з е м ­
н ы м и водами, т.е. образуют с н и м и единую в о д о н о с н у ю систему.
Внутримерзлотными
н а з ы в а ю т с я п о д з е м н ы е воды, з а л е г а ю щ и е
изолированно
внутри т о л щ и м н о г о л е т н е м е р з л ы х п о р о д ( у ч а с т к и
слоев, л и н з ы , л о к а л ь н ы е з о н ы трещиноватости и др.), не и м е ю щ и е
гидравлической связи с д р у г и м и к а т е г о р и я м и п о д з е м н ы х вод.
П о условиям залегания и ф о р м и р о в а н и я м е ж м е р з л о т н ы е воды
о б ы ч н о о б р а з у ю т потоки ( с л о ж н о й к о н ф и г у р а ц и и ) п л а с т о в ы х ,
т р е щ и н н о - ж и л ь н ы х , т р е щ и н н о - к а р с т о в ы х и других подземных вод.
Е с т е с т в е н н ы м и г р а н и ц а м и таких " п о т о к о в " в разрезе и п л а н е я в ­
л я ю т с я т о л щ и М М П , о д н а к о н а л и ч и е д в и ж е н и я (поток) п р е д п о ­
лагает с у щ е с т в о в а н и е у ч а с т к о в п и т а н и я и разгрузки п о д з е м н ы х
вод. В связи с этим межмерзлотные воды имеют относительно бла­
гоприятные условия современного водообмена и являются, как
правило, п р е с н ы м и и с л а б о м и н е р а л и з о в а н н ы м и водами, и м е ю щ и ­
ми положительные температуры. Х о л о д н ы е ( / < 0 ° С ) к р и о г а л и н н ы е
межмерзлотные воды, н е п р о м е р з а ю щ и е в связи с их относительно
п о в ы ш е н н о й м и н е р а л и з а ц и е й , могут б ы т ь с в я з а н ы с у ч а с т к а м и
( з о н а м и ) р а з г р у з к и п о д м е р з л о т н ы х с о л е н ы х вод и р а с с о л о в , с
пластами з а с о л е н н ы х пород и т.д.
http://geoschool.web.ru
Глава 12. П о д з е м н ы е воды о б л а с т и р а с п р о с т р а н е н и я . . . ( к р и о л и т о з о н ы )
301
Условия чередования в разрезе многолетнемерзлых и талых
горных п о р о д ( н а л и ч и е м е ж м е р з л о т н ы х вод) н а и б о л е е х а р а к т е р ­
ны для зон р а з в и т и я двухслойных т о л щ М М П (Западная С и б и р ь ,
Т и м а н о - П е ч о р с к а я плита и др.) (рис. 12.3). К р о м е того, м е ж м е р з ­
л о т н ы е воды характерны д л я у с л о в и й , когда о т н о с и т е л ь н о б л и з к о
р а с п о л о ж е н н ы е участки п и т а н и я и разгрузки п о д з е м н ы х вод (та­
лики) и высокая проницаемость горных пород обеспечивают
ф о р м и р о в а н и е и н т е н с и в н о г о в о д о о б м е н а внутри т о л щ и М М П
(рис. 12.4).
7711
2 F^+b
ШЛА ШЦь
р
Рис. 12.3. Строение криолитозоны платформенных областей (по Н.Н. Романов­
скому. 1983): 1 — плейстоценовые, II — верхнеголоценовые мерзлые толщи;
/ — преимущественно песчаные водоносные породы; 2 — глинистые слабопроницаемые; 3 — породы фундамента; 4 — слой сезонного промерзания (а),
многолетнемерзлые породы ( М М П ) и граница их распространения (б); 5 — ох­
лажденные породы с криогалинными водами и граница их распространения;
6 — граница между плейстоценовыми и верхнеголоценовыми ММП
Внутримерзлотные
воды, о г р а н и ч е н н ы е со всех сторон М М П и
характеризующиеся в связи с этим " з а с т о й н ы м " р е ж и м о м , д о л ж н ы
быть по своей природе главным образом х о л о д н ы м и ( к р и о г а л и н ­
ными). Внутримерзлотные пресные и слабоминерализованные
воды с п о л о ж и т е л ь н ы м и т е м п е р а т у р а м и образуют с М М П т е р м о ­
д и н а м и ч е с к и н е у с т о й ч и в у ю систему. П р и процессах п р о т а и в а н и я
и р а з р у ш е н и я мерзлоты о н и будут переходить в к а т е г о р и ю м е ж ­
м е р з л о т н ы х вод с ф о р м и р о в а н и е м в о д о о б м е н а о п р е д е л е н н о г о
типа. Н а о б о р о т , при п о н и ж е н и и температур и п р о м е р з а н и и о н и
н е и з б е ж н о будут переходить в твердое с о с т о я н и е или в к а т е г о р и ю
переохлажденных в различной степени к о н ц е н т р и р о в а н н ы х к р и о г а л и н н ы х вод.
http://geoschool.web.ru
302
Часть III. О с н о в ы р е г и о н а л ь н о й г и д р о г е о л о г и и
'/' о H
II
°I
•I'I'I'.'.'I'IVI'I'I'IW
7
Л/г. 12.4. Схема возможного формирования потока межмерзлотных подземных
вод: / — относительно высокопроницаемые талые породы; 2 — М М П ; 3 — гра­
ницы М М П ; 4 — участок (область) сосредоточенного питания межмерзлотных
вод; 5 — участок разгрузки; 6 — положение уровня подземных вод в период фор­
мирования их питания (а) и в период отсутствия питания (б); 7 — возможный
приток более глубоких (межмерзлотных, подмерзлотных) подземных вод
Ф о р м и р о в а н и е л и н з , и з о л и р о в а н н ы х п р о с л о е в , зон и других
ф о р м с к р и о г а л и н н ы м и в н у т р и м е р з л о т н ы м и водами с в я з а н о , как
п р а в и л о , с п р о м е р з а н и е м г о р н ы х пород, с о д е р ж а щ и х с о л о н о в а ­
тые и с о л е н ы е п о д з е м н ы е воды ( с и н г е н е т и ч н о п р о м е р з а ю щ и е от­
л о ж е н и я м о р с к и х террас, г а л о г е н н ы е т о л щ и , участки п л а с т о в ы х
систем с о т н о с и т е л ь н о неглубоким залеганием м и н е р а л и з о в а н н ы х
межпластовых вод и др.). В с п е ц и ф и ч е с к и х условиях ф о р м и р о в а ­
ние л и н з в н у т р и м е р з л о т н ы х вод этого т и п а может быть с в я з а н о с
д н и щ а м и соленых озер и п р и б р е ж н ы х лагун, с участками к о н т и ­
нентального з а с о л е н и я грунтовых вод, н е с к в о з н ы м и т е х н о г е н н ы ­
ми т а л и к а м и , с о д е р ж а щ и м и воды п о в ы ш е н н о й м и н е р а л и з а ц и и , и
др. О б ы ч н о л и н з ы к р и о г а л и н н ы х в н у т р и м е р з л о т н ы х вод характе­
ризуются избыточным " к р и о г е н н ы м " давлением, в о з н и к а ю щ и м
при п р о м е р з а н и и горных пород. С н а л и ч и е м таких д а в л е н и й н е ­
редко связано фонтанирование скважин, вскрывающих линзы
в н у т р и м е р з л о т н ы х вод, которое, как п р а в и л о , б ы с т р о п р е к р а щ а ­
ется в связи с о г р а н и ч е н н ы м и о б ъ е м а м и в о д о н о с н о й с и с т е м ы и
отсутствием п р и т о к а п о д з е м н ы х вод.
Подмерзлотными
называются подземные воды, залегающие
н и ж е п о д о ш в ы М М П . В з а в и с и м о с т и о т с т р о е н и я разреза и т и п а
в о д о в м е щ а ю щ и х пород о н и могут быть р а з л и ч н ы м и : м е ж п л а с т о ­
вые поровые воды, т р е щ и н н ы е , т р е щ и н н о - к а р с т о в ы е (см. гл. 8, 9).
П о о т н о ш е н и ю к т о л щ е М М П п о д м е р з л о т н ы е воды п о д р а з д е л я -
http://geoschool.web.ru
Глава 12. П о д з е м н ы е в о д ы о б л а с т и р а с п р о с т р а н е н и я . . . ( к р и о л и т о з о н ы )
303
ются на контактирующие,
д л я к о т о р ы х п о д о ш в а М М П является
в е р х н и м в о д о у п о р о м , и неконтактирующие,
к которым обычно
о т н о с я т с я все глубокие воды гидрогеологического разреза, залега­
ю щ и е н и ж е п о д о ш в ы М М П и в о б щ е м случае и з о л и р о в а н н ы е от
М М П пластами и т о л щ а м и с л а б о п р о н и ц а е м ы х пород. В отдель­
ных случаях (чаще п р и о т н о с и т е л ь н о малой м о щ н о с т и М М П ) в
т р е щ и н о в а т ы х и з а к а р с т о в а н н ы х породах могут быть р а с п р о с т р а ­
н е н ы б е з н а п о р н ы е п о д м е р з л о т н ы е воды, с в о б о д н ы й у р о в е н ь к о ­
торых р а с п о л о ж е н н и ж е п о д о ш в ы М М П (см. р и с . 12.2).
В с о в р е м е н н ы х условиях д и н а м и к а п о д м е р з л о т н ы х вод о п р е ­
деляется г л а в н ы м о б р а з о м п о л о ж е н и е м с к в о з н ы х т а л и к о в (талых
участков и з о н ) , через к о т о р ы е о б е с п е ч и в а ю т с я их п и т а н и е и р а з ­
грузка. В зависимости от типа структуры, м о щ н о с т и и распростра­
н е н и я М М П , п а р а м е т р о в г и д р о г е о л о г и ч е с к о г о разреза х а р а к т е р
в о д о о б м е н а в п о д м е р з л о т н ы х в о д о н о с н ы х г о р и з о н т а х м о ж е т су­
щ е с т в е н н о различаться: от и н т е н с и в н о г о , т и п и ч н о г о д л я верхней
части гидрогеологического разреза, д о весьма затрудненного. В ряде
случаев д л я глубоких частей разреза, п е р е к р ы т ы х м о щ н ы м и (до
300—400 м и более) т о л щ а м и М М П , в е р о я т н о , м о ж н о говорить о
з а с т о й н о м характере с о в р е м е н н о г о р е ж и м а п о д м е р з л о т н ы х вод.
В связи с р а з л и ч н ы м и глубинами залегания подмерзлотных вод,
условиями водообмена, составом водовмещающих пород и другими
п р и ч и н а м и их м и н е р а л и з а ц и я и х и м и ч е с к и й состав могут м е н я т ь ­
ся в ш и р о к о м д и а п а з о н е : от п р е с н ы х и с л а б о м и н е р а л и з о в а н н ы х
г и д р о к а р б о н а т н о г о ( H C 0 — S 0 и др.) состава д о в ы с о к о м и н е р а ­
л и з о в а н н ы х х л о р и д н ы х вод и р а с с о л о в с к о н ц е н т р а ц и е й д о 200—
300 г/л и более. С о п о с т а в л е н и е м о щ н о с т и М М П со с т р о е н и е м
гидрогеохимического разреза р а й о н о в разного типа (см. гл. Ю, II)
дает п р и м е р н о е представление о в о з м о ж н о й в е л и ч и н е м и н е р а л и ­
з а ц и и и типах х и м и ч е с к о г о состава п о д м е р з л о т н ы х вод. О д н а к о в
условиях распространения М М П значительной м о щ н о с т и в связи
с тем, что наличие к р и о г е н н о г о водоупора резко ухудшает условия
современного водообмена, общий уровень минерализации под­
з е м н ы х вод (на тех ж е глубинах) может б ы т ь з н а ч и т е л ь н о в ы ш е
(см. н и ж е ) .
3
4
Температурный режим п о д м е р з л о т н ы х вод, к о н т а к т и р у ю щ и х с
т о л щ е й М М П , а в ряде случаев и более глубоких ( н е к о н т а к т и р у ю щ и х ) г о р и з о н т о в в о п р е д е л е н н о й мере з а в и с и т от н а л и ч и я в
верхней части разреза т о л щ и горных пород с о т р и ц а т е л ь н о й т е м ­
пературой. В а р т е з и а н с к и х б а с с е й н а х п л а т ф о р м е н н о г о т и п а п р и
с п л о ш н о м р а с п р о с т р а н е н и и м о щ н ы х т о л щ М М П (реже в адарте­
зианских бассейнах) н и ж е п о д о ш в ы мерзлоты нередко распростра-
http://geoschool.web.ru
304
Часть III. О с н о в ы р е г и о н а л ь н о й г и д р о г е о л о г и и
нен з н а ч и т е л ь н ы й п о м о щ н о с т и (300—500 м и более) ярус " о х ­
лажденных" горных пород, содержащих высокоминерализован­
ные к р и о г а л и н н ы е воды и рассолы с температурами от 0 д о - 1 2 ° С
(см. р и с . 12.3).
12.2. Криогенное преобразование
гидрогеологических структур
Выше б ы л о с к а з а н о , что процессы п р о м е р з а н и я с ф о р м и р о в а ­
н и е м М М П р а з л и ч н о г о характера р а с п р о с т р а н е н и я и м о щ н о с т и
с у щ е с т в е н н ы м образом и з м е н я ю т условия ф о р м и р о в а н и я п о д з е м ­
ных вод в пределах всех т и п о в гидрогеологических р а й о н о в . П р о ­
цессы п р о м е р з а н и я горных пород и с о д е р ж а щ и х с я в н и х п о д з е м ­
н ы х вод р а з в и в а ю т с я с п о в е р х н о с т и з е м л и , " н а к л а д ы в а я с ь " на
гидродинамическую (гидрохимическую, гидротермическую) сис­
тему гидрогеологического р а й о н а о п р е д е л е н н о г о типа. Характер и
степень криогенного преобразования гидрогеологических условий,
с в я з а н н ы е с р а с п р о с т р а н е н и е м ( с п л о ш н о е , п р е р ы в и с т о е и др.) и
мощностью М М П , определяются в связи с этим не только ф и з и к о географическими (климат) условиями территории, н о и т и п о м гид­
рогеологического района, о п р е д е л я ю щ и м строение разреза, состав
и параметры в о д о в м е щ а ю щ и х пород, структуру и расходы п о т о ­
ков подземных вод, г и д р о г е о х и м и ю разреза и д р . (см. гл. 10, 11),
т.е. те гидрогеологические ф а к т о р ы , которые в с в о ю очередь также
р е ш а ю щ и м образом в л и я ю т на ф о р м и р о в а н и е и строение т о л щ и
М М П . В связи с этим характер и з м е н е н и я гидрогеологических ус­
ловий при промерзании и сами п р и н ц и п ы о ц е н к и степени к р и о ­
генного п р е о б р а з о в а н и я р а з л и ч н ы в гидрогеологических районах
разного типа. Условия и о с о б е н н о с т и к р и о г е н н о г о п р е о б р а з о в а ­
ния г и д р о г е о л о г и ч е с к и х р а й о н о в р а з н о г о т и п а р а с с м а т р и в а ю т с я
А.И. Ефимовым, А.И. Калабиным, Н.Н. Романовским, Н.И. Толстихиным, О.Н. Толстихиным, С М . Фотиевым и др.
1
Криогенное преобразование артезианских бассейнов ( А Б ) . В л и я ­
ние геокриологических условий (при р а з л и ч н о й с т е п е н и п р о м е р ­
з а н и я ) на условия з а л е г а н и я и ф о р м и р о в а н и я а р т е з и а н с к и х вод
п о д р о б н о р а с с м о т р е н о Н . Н . Р о м а н о в с к и м (1983). П р о м е р з а н и е
пластовой с и с т е м ы а р т е з и а н с к о г о б а с с е й н а начинается с поверх­
ности земли, и на первой стадии в мерзлое с о с т о я н и е переходят
п о р о д ы з о н ы а э р а ц и и и г р у н т о в о г о в о д о н о с н о г о г о р и з о н т а на
участках с о т н о с и т е л ь н о более с л а б ы м в о д о о б м е н о м ( р а с п р о с т р а 1
В данном случае совместно рассматриваются артезианские бассейны плат­
форм, межгорные и адартезианские бассейны.
http://geoschool.web.ru
Глава 12. П о д з е м н ы е воды о б л а с т и р а с п р о с т р а н е н и я . . . ( к р и о л и т о з о н ы )
305
нение менее проницаемых отложений, затрудненные условия пита­
ния и др.). В последующем на стадии ф о р м и р о в а н и я прерывистых
т о л щ М М П м о щ н о с т ь ю д о 100 м и более в м н о г о л е т н е м е р з л о е
с о с т о я н и е переходит грунтовый в о д о н о с н ы й горизонт и верхняя
часть м е ж п л а с т о в о й с и с т е м ы , в к л ю ч а я с о б с т в е н н о в о д о н о с н ы е
горизонты и с л а б о п р о н и ц а е м ы е р а з д е л я ю щ и е пласты. П р е д п о л а ­
гается, что в этом случае м е р з л ы е т о л щ и з н а ч и т е л ь н о й м о щ н о с т и
ф о р м и р у ю т с я на участках, где верхняя часть разреза представлена
" в о д о у п о р н ы м и " г л и н и с т ы м и п о р о д а м и или в о д о н о с н ы м и п о р о ­
дами, и м е ю щ и м и относительно низкую проницаемость, а э л е м е н ­
ты с и с т е м ы , с л о ж е н н ы е в ы с о к о п р о н и ц а е м ы м и п о р о д а м и , з о н ы
тектонических нарушений и закарстованности, участки интен­
с и в н о г о п и т а н и я и разгрузки п о д з е м н ы х вод (см. гл. 8, 9) сохра­
няются в талом с о с т о я н и и , локализуясь в виде таликов различного
типа и участков р а с п р о с т р а н е н и я м е ж м е р з л о т н ы х п о д з е м н ы х вод
(см. р и с . 12.3).
Большинство исследователей считают, что при островном распространении
ММП гидродинамическая система АБ не претерпевает существенных изменений.
Однако, как было показано T.A. Куриновой (1988), в условиях массивно-остров­
ного распространения ММП (Ангаро-Лснский АБ) криогенные водоупоры, фор­
мирующиеся в верхней части гидрогеологического разреза, весьма существенно
влияют прежде всего на связь межпластовых горизонтов с верхней гидродинами­
ческой границей системы. Отсутствие связи с верхней (наиболее значимой) гра­
ницей системы определяет значительные изменения величин и распределения
градиентов межпластовой фильтрации, что приводит соответственно к сущест­
венным изменениям структуры потоков межпластовых вод верхних горизонтов и
условий взаимодействия (направления движения, скорости, расходы) в системе
поверхностные воды—грунтовые воды—межпластовые воды (см. рис. 8.3). Наи­
более существенно изменяется именно схема межпластовой фильтрации, по­
скольку на участках распространения ММП, по существующим представлениям,
отсутствуют условия для связи элементов пластовой системы путем перетекания
через слабопроницаемые породы.
Влияние многолетнего промерзания на гидродинамическую (гид­
р о г е о х и м и ч е с к у ю и др.) систему А Б становится о с о б е н н о сущест­
в е н н ы м при сплошном характере р а с п р о с т р а н е н и я М М П . В этом
случае о ц е н к а степени к р и о г е н н о г о п р е о б р а з о в а н и я А Б п р о и з в о ­
дится на о с н о в е с р а в н е н и я м о щ н о с т и М М П с м о щ н о с т ь ю пород
осадочного чехла или с м о щ н о с т ь ю з о н ы п р е с н ы х п о д з е м н ы х вод
при наличии в разрезе бассейна двух или трех гидрогеохимических
зон (см. гл. 10). В первом случае при о т н о с и т е л ь н о о г р а н и ч е н н о й
м о щ н о с т и (первые сотни метров) о с а д о ч н о г о чехла, с о д е р ж а щ е г о
п р е с н ы е п о д з е м н ы е в о д ы , п р и глубинах п р о м е р з а н и я
больших,
чем м о щ н о с т ь чехла, в пределах всего б а с с е й н а (или его краевых
частей), в о з м о ж н о п о л н о е п р о м е р з а н и е пластовой с и с т е м ы о с а -
http://geoschool.web.ru
306
Часть III. О с н о в ы р е г и о н а л ь н о й г и д р о г е о л о г и и
д о ч н о г о чехла с с о х р а н е н и е м п о д з е м н ы х вод т о л ь к о в л о к а л ь н ы х
зонах, с в я з а н н ы х с т а л и к а м и р а з л и ч н о г о т и п а . Н и ж е п р о м о р о ­
ж е н н ы х п о р о д чехла н а п о р н ы е п о д м е р з л о т н ы е воды могут б ы т ь
с в я з а н ы с т р е щ и н о в а т ы м и или з а к а р с т о в а н н ы м и п о р о д а м и ф у н ­
дамента. П о д о б н ы е г и д р о г е о л о г и ч е с к и е структуры н а з ы в а ю т с я в
соответствии с п р и н я т о й т е р м и н о л о г и е й криогенными
постартези­
анскими бассейнами трещинных вод. В этом случае система собст­
в е н н о а р т е з и а н с к о г о т и п а не существует ( п о л н о с т ь ю п р о м о р о ж е ­
на), и в о с с т а н о в л е н и е ее в о з м о ж н о т о л ь к о при деградации М М П .
Во втором случае глубокое п р е о б р а з о в а н и е А Б п р о и с х о д и т при
м о щ н о с т и М М П б о л ь ш е й , чем м о щ н о с т ь з о н ы пресных вод. П р и
подобных условиях в А Б о к а з ы в а е т с я п о л н о с т ь ю п р о м о р о ж е н н о й
верхняя зона интенсивного водообмена, содержащая пресные
п о д з е м н ы е воды, включая в н у т р е н н и е и в н е ш н и е области п и т а ­
н и я а р т е з и а н с к и х вод. О г р а н и ч е н н о е р а с п р о с т р а н е н и е п р е с н ы х
вод может быть с в я з а н о с С Т С и т а л и к а м и р а з н о г о типа, по к о т о ­
рым в о з м о ж н о о г р а н и ч е н н о е современное питание подмерзлотных
вод. П р и н а л и ч и и м о щ н ы х т о л щ М М П с у щ е с т в о в а н и е с к в о з н ы х
( п и т а ю щ и х ) т а л и к о в в о з м о ж н о , н о весьма п р о б л е м а т и ч н о , и в
каждом к о н к р е т н о м случае вопрос об их н а л и ч и и или отсутствии
д о л ж е н р е ш а т ь с я на о с н о в а н и и м а т е р и а л о в с п е ц и а л ь н ы х и с с л е ­
дований.
Н и ж е п о д о ш в ы М М П в бассейнах этого т и п а р а с п р о с т р а н е н ы ,
как п р а в и л о , с о л е н ы е воды и рассолы, п р е т е р п е в ш и е в той или
иной мере к р и о г е н н у ю м е т а м о р ф и з а ц и ю . Возможно наличие яруса
м е ж м е р з л о т н ы х и в н у т р и м е р з л о т н ы х к р и о г а л и н н ы х вод и яруса
п о д м е р з л о т н ы х к р и о г а л и н н ы х вод и р а с с о л о в с т е м п е р а т у р а м и
н и ж е 0°С. П о д о б н ы е а р т е з и а н с к и е б а с с е й н ы н а з ы в а ю т с я криоартезианскими.
С о в р е м е н н а я д и н а м и к а п о д м е р з л о т н ы х вод к р и о а р т е з и а н с к и х
б а с с е й н о в о п р е д е л я е т с я г л а в н ы м о б р а з о м н а л и ч и е м в пределах
краевой зоны или внутренней области бассейна (см. гл. 10) с к в о з ­
ных т а л и к о в н а п о р н о - ф и л ь т р а ц и о н н о г о т и п а , по к о т о р ы м в о з ­
м о ж н а разгрузка к р и о г а л и н н ы х ( / < 0 ° С ) вод или п о д з е м н ы х вод,
и м е ю щ и х п о л о ж и т е л ь н ы е температуры. К а к б ы л о с к а з а н о в ы ш е ,
возможность ф о р м и р о в а н и я современного питания подмерзлотных
вод через в е р х н ю ю границу в условиях к р и о а р т е з и а н с к и х б а с с е й ­
н о в я в л я е т с я весьма п р о б л е м а т и ч н о й . В так н а з ы в а е м ы х закры­
тых А Б сплошного глубокого промерзания
предполагается полное
отсутствие с о в р е м е н н о г о " п о в е р х н о с т н о г о " п и т а н и я подмерзлот­
ных вод, как в пределах с о б с т в е н н о бассейна, так и его структур-
http://geoschool.web.ru
Глава 12. П о д з е м н ы е воды о б л а с т и р а с п р о с т р а н е н и я . . . ( к р и о л и т о з о н ы )
307
ного о б р а м л е н и я . В этих условиях с о х р а н е н и е в ы с о к и х з н а ч е н и й
н а п о р о в п о д м е р з л о т н ы х вод, о б е с п е ч и в а ю щ и х их р а з г р у з к у по
н а п о р н о - ф и л ь т р а ц и о н н ы м т а л и к а м в пределах внутренней о б л а с ­
ти бассейна, а т а к ж е б а л а н с о в о е " о б е с п е ч е н и е " с о в р е м е н н о й р а з ­
грузки могут б ы т ь с в я з а н ы т о л ь к о с внутренними
источниками
п и т а н и я ( э л и з и о н н ы е п р о ц е с с ы , п о с т у п л е н и е г л у б и н н ы х мета­
м о р ф о г е н н ы х и м а г м о г е н н ы х ф л ю и д о в через п о р о д ы ф у н д а м е н т а
и др.) и ф о р м и р о в а н и е м к р и о г е н н ы х д а в л е н и й ( п р и п р о м е р з а ­
н и и ) . В о п р е д е л е н н ы х условиях в о з м о ж н о ф о р м и р о в а н и е разгруз­
ки п о д м е р з л о т н ы х вод и при отсутствии с о в р е м е н н о г о п и т а н и я за
счет сработки упругих запасов п о д з е м н ы х вод. В то же время во
внутренних частях ряда п л а т ф о р м е н н ы х А Б з о н ы с п л о ш н о г о р а с ­
пространения толщ М М П значительной мощности (Якутский,
Хатангский и др.) н е п о с р е д с т в е н н о н и ж е п о д о ш в ы М М П выде­
л е н ы о б ш и р н ы е области с аномально низкими пластовыми
давле­
ниями ( А Н П Д ) п о д м е р з л о т н ы х вод (В.Л. Б е л е ц к и й , А . И . Е ф и м о в ,
Н.Н. Романовский и др.). Пьезометрические уровни напорных
п о д м е р з л о т н ы х вод в таких областях устанавливаются не т о л ь к о
ниже уровней поверхностных и надмерзлотных вод, но в ряде слу­
чаев и н и ж е уровня М и р о в о г о океана (рис. 12.5). Так, в Н а м с к о й
1
_| ,_ 2 '////
3
^
Ш
5
Рис. 12.5. Гидрогеологический разрез Якутского бассейна по линии Амга—Дюпся
(по Н.Н. Романовскому, 1983): 1 — пьезометрический уровень подмерзлотных
подземных вод; 2 — нижняя граница ММП; 3 — ММП; 4 — фундамент; 5 —
скважины, цифрами указано положение пьезометрического уровня относительно
поверхности земли
http://geoschool.web.ru
Часть III. О с н о в ы р е г и о н а л ь н о й г и д р о г е о л о г и и
308
о п о р н о й с к в а ж и н е (Якутский бассейн) абсолютная отметка уровня
п о д м е р з л о т н ы х вод находится на глубине 138,4 м. Д е ф и ц и т н а п о ­
ров о т н о с и т е л ь н о уровня п о в е р х н о с т н ы х вод достигает 20—80 атм
(2,0—8,1 М П а ) ( Р о м а н о в с к и й , 1983). Д е ф и ц и т н а п о р о в с о х р а н я ­
ется, н е с м о т р я на н а л и ч и е с к в о з н ы х т а л и к о в п о д д о л и н а м и р е к
(р. Л е н а ) , по к о т о р ы м в п р и н ц и п е в о з м о ж н о г и д р о д и н а м и ч е с к о е
взаимодействие п о д м е р з л о т н ы х вод с н а д м е р з л о т н ы м и и поверх­
н о с т н ы м и в о д а м и . В т о же время з а л е г а ю щ и е н и ж е о т л о ж е н и я
к е м б р и й с к о г о в о д о н о с н о г о к о м п л е к с а содержат п о д з е м н ы е воды
с " н о р м а л ь н ы м и " з н а ч е н и я м и н а п о р о в . Т е м с а м ы м создаются у с ­
л о в и я , к о г д а гидродинамический
минимум
с резким дефицитом
пластовых д а в л е н и й существует в средней ( н е п о с р е д с т в е н н о под
т о л щ е й М М П ) части гидрогеологического разреза.
Ф о р м и р о в а н и е столь своеобразно расположенной зоны с А Н П Д
о б ъ я с н я е т с я , по м н е н и ю ряда и с с л е д о в а т е л е й (В.Т. Б а л о б а е в ,
В.Л. Б е л е ц к и й , А . И . Е ф и м о в и д р . ) , о б р а з о в а н и е м (увеличением)
свободного объема порового пространства
при деградации н и ж н е й
части т о л щ и мерзлых пород. П о расчетам В.Т. Балобаева (1973),
при протаивании т о л щ и М М П снизу, за счет перехода текстурообразующего льда в воду на площади 1 к м ежегодно " ф о р м и р у е т с я "
до 350 м " с в о б о д н о г о " объема.
3
3
Криогенные преобразования гидрогеологических массивов (субмас­
сивов) определяются характером прерывистости ( р а с п р о с т р а н е н и ­
ем) мерзлых т о л щ по п л о щ а д и и с о о т н о ш е н и е м м о щ н о с т и М М П
с мощностью зоны экзогенной трещиноватости (Романовский,
1983). П р о м е р з а н и е гидрогеологического массива, распространяясь
с поверхности, захватывает в первую очередь п о р о д ы з о н ы а э р а ­
ции, рыхлые водоносные отложения, локально распространенные
на поверхности массива, и при увеличении м о щ н о с т и мерзлоты —
водоносный горизонт зоны э к з о г е н н о й трещиноватости. С о х р а н е ­
ние талого состояния в этом случае характерно главным образом
для участков с наиболее в ы с о к о й п р о н и ц а е м о с т ь ю горных пород:
интенсивно трещиноватые зоны тектонических нарушений, зоны и н ­
тенсивной закарстованности (субмассивы), участки речных д о л и н ,
о с о б е н н о при н а л и ч и и в ы с о к о п р о н и ц а е м ы х к р у п н о о б л о м о ч н ы х
отложений и др.
Условия з а л е г а н и я и т и п п о д м е р з л о т н ы х п о д з е м н ы х вод ( н а ­
порные, безнапорные) зоны экзогенной трещиноватости опреде­
л я ю т с я главным образом с о о т н о ш е н и е м м о щ н о с т и М М П и глу­
б и н о й з а л е г а н и я у р о в н я п о д з е м н ы х вод на р а з л и ч н ы х участках
массива, у с л о в и я м и п и т а н и я и разгрузки п о д м е р з л о т н ы х вод, н а ­
л и ч и е м и п о л о ж е н и е м талых участков и з о н . Д в и ж е н и е п о д з е м -
http://geoschool.web.ru
Глава 12. П о д з е м н ы е воды о б л а с т и р а с п р о с т р а н е н и я . . . ( к р и о л и т о з о н ы )
309
ных вод в целом осуществляется от ц е н т р а л ь н ы х частей между­
речных пространств к речным долинам и периферии массива,
ф о р м и р у я систему м е с т н ы х п о т о к о в п о д м е р з л о т н ы х т р е щ и н н ы х
вод (см. гл. 9). В связи с д о с т а т о ч н о и н т е н с и в н ы м в о д о о б м е н о м
(сохранение в пределах всего массива или на отдельных участках
водоносного горизонта з о н ы э к з о г е н н о й трещиноватости, наличие
сквозных таликов, с в я з а н н ы х с зонами тектонической т р е щ и н о в а ­
тости и з а к а р с т о в а н н о с т и , и т.д.), п о д м е р з л о т н ы е воды массива
могут и м е т ь о т н о с и т е л ь н о н е в ы с о к у ю (300—500 м г / л ) м и н е р а л и ­
з а ц и ю и п р е и м у щ е с т в е н н о г и д р о к а р б о н а т н ы й ( H C 0 — S 0 и др.)
состав.
Крайняя степень криогенного преобразования массива соот­
ветствует у с л о в и я м , к о г д а м о щ н о с т ь т о л щ и М М П п р е в ы ш а е т
(значительно) м о щ н о с т ь зоны э к з о г е н н о й трещиноватости. П о д о б ­
ные т и п ы структур выделяются в настоящее время в качестве криогидрогеологических
массивов ( К Г М ) с п л о ш н о г о глубокого и сверх­
глубокого п р о м е р з а н и я . В этих условиях верхняя п о т е н ц и а л ь н о
наиболее о б в о д н е н н а я часть массива (см. гл. 9) полностью п р о м о ­
рожена. Возможно формирование только локальных (линейнолокальных) потоков трещинно-жильных и трещинно-карстовых
подземных вод по зонам и н т е н с и в н о й трещиноватости и закарсто­
ванности ( с у б м а с с и в ы ) , с к о т о р ы м и с в я з а н о н а л и ч и е с к в о з н ы х и
несквозных таликов различного типа. Существование л о к а л ь н о о б ­
в о д н е н н ы х зон наиболее характерно для криогидрогеологических
м а с с и в о в с а к т и в н ы м п р о я в л е н и е м н о в е й ш и х и с о в р е м е н н ы х тек­
т о н и ч е с к и х д в и ж е н и й ( н а л и ч и е п р о н и ц а е м ы х зон т е к т о н и ч е с к и х
н а р у ш е н и й ) и с у б м а с с и в о в , в разрезе к о т о р ы х р а с п р о с т р а н е н ы
и н т е н с и в н о закарстованные горные породы. Глубокие части к р и о ­
гидрогеологических массивов глубокого и сверхглубокого про­
м е р з а н и я в н а с т о я щ е е время изучены о т н о с и т е л ь н о слабо.
Чрезвычайно интересными являются данные (А.И. Калабин,
Н . Н . Р о м а н о в с к и й , Н . И . Т о л с т и х и н и др.) о т о м , что д л я гидро­
геологических м а с с и в о в области р а с п р о с т р а н е н и я М М П вблизи
п о д о ш в ы мерзлых т о л щ х а р а к т е р н о ф о р м и р о в а н и е т а к н а з ы в а е ­
мой з о н ы криогенной дезинтеграции
(криогенной трещиноватости)
горных пород, обусловленной м н о г о к р а т н о п р о и с х о д и в ш и м и п р о ­
цессами п р о м е р з а н и я и о т т а и в а н и я . В связи с т е м , что на п р о т я ­
жении четвертичного периода неоднократно происходила смена
холодных и более теплых э т а п о в , а м о щ н о с т ь М М П в п л е й с т о ­
цене б ы л а в целом б о л ь ш е й , чем в н а с т о я щ е е время, развитие зон
к р и о г е н н о й д е з и н т е г р а ц и и горных пород вблизи п о д о ш в ы м е р з ­
лых толщ можно предполагать практически повсеместно. По
и м е ю щ и м с я д а н н ы м ( А ф а н а с е н к о , 2000), вблизи ю ж н о й г р а н и ц ы
3
http://geoschool.web.ru
4
Часть III. О с н о в ы р е г и о н а л ь н о й г и д р о г е о л о г и и
310
криолитозоны суммарная мощность зон криогенной дезинтегра­
ции п о р о д м о ж е т достигать 150 м и более. В гидрогеологических
массивах сплошного глубокого и сверхглубокого промерзания
при н а л и ч и и з о н к р и о г е н н о й д е з и н т е г р а ц и и могут б ы т ь л о к а л ь н о
или на д о с т а т о ч н о ш и р о к и х п л о щ а д я х р а с п р о с т р а н е н ы н а п о р н ы е
п о д м е р з л о т н ы е п о д з е м н ы е воды с р а з л и ч н ы м и у с л о в и я м и в о д о ­
обмена, минерализацией и составом. При мощности М М П до
200—300 м и н а л и ч и и с к в о з н ы х т а л и к о в с о в р е м е н н ы й в о д о о б м е н
может быть достаточно интенсивным (особенно при высокой
проницаемости пород з о н ы к р и о г е н н о й дезинтеграции). Это о п р е ­
деляет п р е и м у щ е с т в е н н о е р а з в и т и е п р е с н ы х и м а л о м и н е р а л и з о ­
ванных вод гидрокарбонатного или с у л ь ф а т н о - г и д р о к а р б о н а т н о г о
состава, в той или иной мере и з м е н е н н о г о процессами к р и о г е н н о й
м е т а м о р ф и з а ц и и (см. гл. 4). П р и м о щ н о с т и М М П д о 500—700 м
и более и отсутствии связи с п о в е р х н о с т ь ю ( н а д м е р з л о т н ы м и и
п о в е р х н о с т н ы м и водами) д л я п о д м е р з л о т н ы х вод м а с с и в о в даже
без с у щ е с т в е н н о г о в л и я н и я п р о ц е с с о в к р и о г е н н о г о к о н ц е н т р и р о ­
вания д о л ж н о б ы т ь характерно п р е и м у щ е с т в е н н о е р а с п р о с т р а н е ­
н и е о т н о с и т е л ь н о м и н е р а л и з о в а н н ы х (до 3,0—10 г/л и б о л е е )
сульфатно-хлоридных и хлоридных вод. О д н а к о при определенных
условиях (резко р а с ч л е н е н н ы й р е л ь е ф , и н т е н с и в н а я т р е щ и н о в а тость и п р о н и ц а е м о с т ь горных пород и др.) м о щ н о с т ь з о н ы прес­
ных вод, в е р о я т н о , может достигать 1000 м и более (см. гл. 11).
Глубже горизонта подмерзлотных вод, с в я з а н н о г о с зоной к р и о ­
генной дезинтеграции горных пород, обводненность массивов
при глубоком и сверхглубоком п р о м е р з а н и и может б ы т ь с в я з а н а
только с п р о н и ц а е м ы м и з о н а м и т е к т о н и ч е с к и х н а р у ш е н и й и з о ­
н а м и л о к а л ь н о й т р е щ и н о в а т о с т и р а з л и ч н ы х т и п о в (см. гл. 9, 11).
Условия в о д о о б м е н а , м и н е р а л и з а ц и я и х и м и ч е с к и й состав э т и х
вод д о н а с т о я щ е г о времени изучены о т н о с и т е л ь н о слабо. О д н а к о
исходя из ф а к т и ч е с к и х д а н н ы х , и м е ю щ и х с я п о п о д о б н ы м т и п а м
структур в н е области р а с п р о с т р а н е н и я М М П , м о ж н о п р е д п о л а ­
гать, что для подмерзлотных т р е щ и н н о - ж и л ь н ы х вод в этом случае
д о л ж н ы быть характерны весьма затрудненные условия водообме­
на, о п р е д е л я ю щ и е развитие (на глубинах 1000—1500 м и более)
в ы с о к о м и н е р а л и з о в а н н ы х вод и, в о з м о ж н о , рассолов хлоридного
состава (см. гл. 11).
Вопросы к главе 12
1. Основные (общие) особенности гидрогеологических
условий об­
ласти распространения
многолетнемерзлых
пород
(криолито­
зоны).
http://geoschool.web.ru
Глава 13. П о д з е м н ы е воды а р и д н ы х областей
2.
3.
4.
5.
6.
7.
311
Типы подземных вод по условиям залегания относительно
тол­
щи ММП.
Условия формирования и режим надмерзлотных подземных вод.
Межмерзлотные
и внутримерзлотные
подземные воды.
Условия формирования
и особенности режима
подмерзлотных
подземных вод.
Гидрогеологическая
роль таликов.
Типы таликов, связанные с
формированием подземных вод.
Криогенное преобразование гидрогеологических
структур.
Глава
13
ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ
А Р И Д Н Ы Х ОБЛАСТЕЙ
Аридными и полуаридными
о б л а с т я м и (от лат. Aridus — сухой)
н а з ы в а ю т с я т е р р и т о р и и с сухим и з а с у ш л и в ы м к л и м а т о м : п у с т ы ­
н и , п о л у п у с т ы н и и с т е п н ы е з о н ы . На т е р р и т о р и и з е м н о г о шара
эти области з а н и м а ю т более 30% о б щ е й п л о щ а д и с у ш и .
О с н о в н ы м и о с о б е н н о с т я м и п р и р о д н ы х условий аридных облас­
тей, р е ш а ю щ и м образом о п р е д е л я ю щ и м и закономерности рас­
п р о с т р а н е н и я и ф о р м и р о в а н и я п о д з е м н ы х вод этих т е р р и т о р и й ,
являются:
1
1) р е з к о недостаточная естественная у в л а ж н е н н о с т ь в связи с
малым количеством атмосферных осадков и чрезвычайно
высокими значениями максимально возможного испарения
(испаряемости);
2) слабое развитие или п р а к т и ч е с к и п о л н о е отсутствие с о в р е ­
м е н н о й г и д р о г р а ф и ч е с к о й сети;
3) н а л и ч и е в с о в р е м е н н о м р е л ь е ф е а р и д н ы х т е р р и т о р и й б е с ­
сточных внутриконтинентальных впадин тектонического или
эрозионного происхождения;
4) ш и р о к о е распространение в породах верхней части геологи­
ческого разреза, в п о ч в е н н о м слое и в породах з о н ы аэрации
л е г к о р а с т в о р и м ы х с о е д и н е н и й , с в я з а н н о е с развитием п р о ­
цессов интенсивного испарения и континентального засо­
ления.
Далее в тексте — просто аридными.
http://geoschool.web.ru
312
Часть III. Основы региональной гидрогеологии
13.1. Режим и баланс грунтовых вод
Глубина залегания грунтовых вод а р и д н ы х территорий в зави­
симости от рельефа и строения верхней части гидрогеологического
разреза изменяется от 1—3 д о 100 м и более. М а к с и м а л ь н ы е глуби­
ны залегания (до 80—100 м и более) характерны главным образом
для о т н о с и т е л ь н о п р и п о д н я т ы х п р е д г о р н ы х р а в н и н и и н т е н с и в н о
расчлененных участков с н и з к о - и среднегорным рельефом, сложен­
ных д р е в н и м и к р и с т а л л и ч е с к и м и и в у л к а н о г е н н ы м и п о р о д а м и , а
также в различной степени л и т и ф и ц и р о в а н н ы м и и трещиноватыми
о с а д о ч н ы м и т о л щ а м и ( и з в е с т н я к и , п е с ч а н и к и и др.). В пределах
р а в н и н н ы х п р о с т р а н с т в (степная зона, пустыни) с р а с п р о с т р а н е ­
нием с поверхности рыхлых или с л а б о л и т и ф и ц и р о в а н н ы х пород
глубины залегания уровня грунтовых вод и з м е н я ю т с я преимущест­
в е н н о от 10—15 д о 50—70 м и более на и н т е н с и в н о р а с ч л е н е н н ы х
п л о щ а д я х и участках с б а р х а н н ы м р е л ь е ф о м . П р и з н а ч и т е л ь н о й
м о щ н о с т и и с л о и с т о м с т р о е н и и разреза з о н ы а э р а ц и и д л я этих
территорий характерно развитие водоносных горизонтов типа
" в е р х о в о д к и " (см. гл. 7), спорадическое распространение, а в ряде
случаев п р а к т и ч е с к о е отсутствие горизонта с о б с т в е н н о грунтовых
вод ( М а р и н о в и д р . , 1978). На о т н о с и т е л ь н о п о н и ж е н н ы х участ­
ках, вблизи русел р е к и к а н а л о в , на берегах озер, в б е с с т о ч н ы х
п о н и ж е н и я х и впадинах, а также на и н т е н с и в н о о р о ш а е м ы х т е р ­
р и т о р и я х г л у б и н ы з а л е г а н и я у р о в н я грунтовых вод и з м е н я ю т с я
в о с н о в н о м в пределах 1,0—5,0 м.
Питание грунтовых вод осуществляется за счет и н ф и л ь т р а ц и и
атмосферных осадков, конденсации, поглощения поверхностных
вод и о р о ш е н и я . В связи с ч р е з в ы ч а й н о н и з к и м и з н а ч е н и я м и к о ­
эффициента увлажнения и малой относительной влажностью
воздуха с р е д н и е в е л и ч и н ы естественного ( и н ф и л ь т р а ц и о н н о - к о н д е н с а ц и о н н о г о ) п и т а н и я грунтовых вод и з м е н я ю т с я , к а к п р а в и л о ,
в пределах 1,0—5,0 м м / г о д , реже д о 10,0—15,0 м м / г о д (рис. 13.1).
О т н о с и т е л ь н о б о л ь ш и е з н а ч е н и я (до 30—40 м м / г о д ) и н ф и л ь т р а ц и о н н о - к о н д е н с а ц и о н н о г о п и т а н и я грунтовых вод в ряде случаев
в ы ш е ( М . Р . Н и к и т и н и д р . ) , могут б ы т ь с в я з а н ы с о т н о с и т е л ь н о
у в л а ж н е н н ы м и т е р р и т о р и я м и (A" = 0,4—0,6 и б о л е е ) , с п о н и ж е ­
н и я м и рельефа, в которых о т н о с и т е л ь н о б о л ь ш е е у в л а ж н е н и е п о ­
верхности земли определяется н а л и ч и е м п о в е р х н о с т н о г о с к л о н о ­
вого стока или н а к о п л е н и е м снега в з и м н и й п е р и о д , а т а к ж е с
участками р а с п р о с т р а н е н и я н е п о с р е д с т в е н н о с п о в е р х н о с т и в ы ­
сокопроницаемых пород (грубообломочные, интенсивно-трещи­
новатые, з а к а р с т о в а н н ы е и д р . ) , д л я которых в связи с в ы с о к и м и
скоростями инфильтрации характерны относительно меньшие
расходы на и с п а р е н и е .
v
http://geoschool.web.ru
Глава 13. П о д з е м н ы е в о д ы а р и д н ы х областей
313
Рис. 13.1. Распределение величин инфильтрационного питания на территории
Приишимской равнины (южная часть Западно-Сибирской низменности): / —
границы расчетного участка; 2 — расчетный блок, цифра — величина инфильт­
рационного питания, л/с • км ); 3—6 — величины инфильтрационного питания,
л/с • км ; 3 - менее 0,01; 4 - 0,01-0,1; 5 - 0,1-0,2; 6 - 0,2-0,5
2
2
В е л и ч и н ы с о б с т в е н н о к о н д е н с а ц и о н н о г о п и т а н и я грунтовых
вод, по существующим о ц е н к а м (А.Г. Голубь, Н.А. Огильви и др.),
в условиях а р и д н ы х т е р р и т о р и й , в е р о я т н о , могут достигать 10—
20 м м / г о д и более (см. гл. 7).
Более б л а г о п р и я т н ы е условия п и т а н и я грунтовых вод х а р а к ­
терны для участков, где э т о п и т а н и е ф о р м и р у е т с я за счет п о г л о ­
щ е н и я п о в е р х н о с т н ы х вод р е к и каналов. Н а п л о щ а д и м е ж г о р н ы х
впадин и предгорных равнин при наличии гидрографической
сети с в р е м е н н ы м или п о с т о я н н ы м с т о к о м или и р р и г а ц и о н н ы х
http://geoschool.web.ru
Часть III. О с н о в ы р е г и о н а л ь н о й г и д р о г е о л о г и и
314
к а н а л о в русловое п о г л о щ е н и е п о в е р х н о с т н ы х вод я в л я е т с я , к а к
п р а в и л о , о с н о в н о й п р и х о д н о й статьей баланса грунтовых вод, с о ­
ставляя д о 50—60% и более от с у м м а р н о й в е л и ч и н ы их с о в р е м е н ­
ного п и т а н и я (У.М. А х м е д с а ф и н , В.Ф. Ш л ы г и н а и др.).
В з а в и с и м о с т и от р а з м е р о в р е ч н ы х д о л и н , в о д н о г о р е ж и м а
рек, с т р о е н и я в е р х н е й части р а з р е з а и других ф а к т о р о в с х е м ы
ф о р м и р о в а н и я ф и л ь т р а ц и о н н о г о п о г л о щ е н и я п о в е р х н о с т н ы х вод
могут б ы т ь р а з л и ч н ы м и (см. гл. 7); в е л и ч и н ы п о г л о щ е н и я и з м е ­
няются в ш и р о к и х пределах, достигая 50—100 л / с и более н а 1 км
русла. К а к п р а в и л о , для этого и с т о ч н и к а п и т а н и я грунтовых вод
характерны з н а ч и т е л ь н ы е и з м е н е н и я в е л и ч и н в р а з л и ч н ы е с е з о ­
ны года и в м н о г о л е т н е м п е р и о д е в з а в и с и м о с т и о т в о д н о с т и
к о н к р е т н ы х лет (рис. 13.2).
О , м /с
3
ф
Рис. 13.2. Внутригодовое рас­
пределение питания подземных
вод Яхсуйской впадины за счет
фильтрационных потерь из совре­
менной гидрографической сети
(Фиде.ии
и др., 1987)
32
24
16
8
0
1982
1980 X
IV
V
VI VII VIII IX
X
XI XII
Месяцы
В предгорных районах пустынных и полупустынных террито­
рий п и т а н и е грунтовых вод за счет п о г л о щ е н и я п о в е р х н о с т н ы х
часто с в я з а н о с д о л и н а м и в р е м е н н ы х в о д о т о к о в , в к о т о р ы х п о ­
в е р х н о с т н ы й сток ф о р м и р у е т с я т о л ь к о в п е р и о д ы в ы п а д е н и я и н ­
т е н с и в н ы х а т м о с ф е р н ы х осадков или с н е г о т а я н и я в соседних гор­
ных районах. В долинах крупных р а в н и н н ы х рек (Сырдарья,
Амударья, Н и л и др.) п и т а н и е грунтовых вод за счет п о г л о щ е н и я
п о в е р х н о с т н ы х ф о р м и р у е т с я в тех случаях, когда у р о в н и р е ч н ы х
вод п о с т о я н н о или в п е р и о д ы в ы с о к о й водности р а с п о л а г а ю т с я
в ы ш е уровня грунтовых вод в п р и р е ч н о й зоне. В этих условиях в
п р и д о л и н н о й части ф о р м и р у ю т с я п о т о к и грунтовых вод, н а п р а в ­
л е н н ы е от " п и т а ю щ е г о " р у с л а к п о н и ж е н и я м н а п о в е р х н о с т и
п о й м ы , и I н а д п о й м е н н о й т е р р а с ы , где п р о и с х о д и т р а з г р у з к а
грунтовых вод и с п а р е н и е м и с в я з а н н ы е с э т и м и з м е н е н и я их м и ­
н е р а л и з а ц и и и х и м и ч е с к о г о состава ( р и с . 13.3).
З н а ч и т е л ь н ы е о б ъ е м ы п и т а н и я г р у н т о в ы х вод ф о р м и р у ю т с я
т а к ж е на о р о ш а е м ы х м а с с и в а х а р и д н о й з о н ы за счет ф и л ь т р а ­
ц и о н н ы х потерь из и р р и г а ц и о н н ы х к а н а л о в и ф и л ь т р а ц и и о р о ­
с и т е л ь н ы х вод п р и п о л и в а х и п р о м ы в а х с е л ь с к о х о з я й с т в е н н ы х
http://geoschool.web.ru
Глава 13. П о д з е м н ы е воды а р и д н ы х о б л а с т е й
315
земель. По д а н н ы м У.М. Ахмедсафина, В.Ф. Ш л ы г и н о й и др.
(1978), на конусах в ы н о с а З а и л и й с к о г о Алатау ф и л ь т р а ц и о н н ы е
потери из и р р и г а ц и о н н о й сети и ф и л ь т р а ц и я п о л и в н ы х вод с о ­
ставляют с о о т в е т с т в е н н о Ю — 1 6 и 9,0% от с у м м а р н о й в е л и ч и н ы
с о в р е м е н н о г о п и т а н и я грунтовых вод ( с у м м а р н о е и н ф и л ь т р а ц и о н н о - к о н д е н с а ц и о н н о е п и т а н и е составляет в э т о м случае 1 1 % ) .
Рис. 13.3. Схема формирования грунтового потока на между­
речье Белый Нил—Голубой Нил (Whiteman, 1971): 1 — гидроизогипсы, цифры — абс. отм., м; 2 — изолинии минерализа­
ции грунтовых вод. цифры — величина минерализации, мг/л
На к р у п н ы х м а с с и в а х о р о ш е н и я ф и л ь т р а ц и о н н ы е потери из
магистральных и р а с п р е д е л и т е л ь н ы х к а н а л о в п р и отсутствии с п е ­
ц и а л ь н ы х п р о т и в о ф и л ь т р а ц и о н н ы х мер могут достигать 30—40%
и более от с у м м а р н о г о расхода воды на о р о ш е н и е . Н а п р и м е р , в
первый период эксплуатации Большого Каракумского канала
ф и л ь т р а ц и о н н ы е потери воды на п л о щ а д я х р а с п р о с т р а н е н и я п е с -
http://geoschool.web.ru
316
Часть III. О с н о в ы р е г и о н а л ь н о й г и д р о г е о л о г и и
3
ч а н ы х п о р о д Ю г о - В о с т о ч н ы х К а р а к у м о в д о с т и г а л и 1,5 м / с н а
1 км русла канала ( К а п , Ш е с т а к о в , 1981).
Питание грунтовых вод на массивах о р о ш е н и я за счет фильтра­
ции п о л и в н ы х вод в зависимости от в е л и ч и н ы и режима водоподачи ( п о л и в н ы е н о р м ы ) , способа о р о ш е н и я , с т р о е н и я и м о щ н о с т и
зоны аэрации, рельефа изменяется достаточно сильно, достигая
150—200 м м / г о д и более. П о д а н н ы м Д . М . Каца и В.М. Ш е с т а к о ва, с р е д н и е с у м м а р н ы е в е л и ч и н ы п и т а н и я грунтовых вод на о р о ­
шаемых массивах С р е д н е й Азии ( ф и л ь т р а ц и я о р о с и т е л ь н ы х вод и
потери из каналов) с о с т а в л я ю т д о 300—400 м м / г о д .
Д в и ж е н и е грунтовых вод п р о и с х о д и т в соответствии с р а с п р е ­
д е л е н и е м н а п о р о в , которое в т о й или и н о й мере всегда с в я з а н о
со с т р о е н и е м р е л ь е ф а к о н к р е т н ы х т е р р и т о р и й ( р и с . 13.4; 13.5).
О д н а к о в связи с отсутствием или с л а б ы м развитием г и д р о г р а ф и ­
ческой сети и о т н о с и т е л ь н о б о л ь ш и м и глубинами залегания
уровня грунтовых вод для а р и д н ы х т е р р и т о р и й , к а к п р а в и л о , не
характерна т и п и ч н а я д л я гумидных областей структура " м е с т н ы х "
п о т о к о в , о п р е д е л я е м а я к о н ф и г у р а ц и е й г и д р о г р а ф и ч е с к о й сети
( д в и ж е н и е от междуречных п р о с т р а н с т в к м е с т н ы м э р о з и о н н ы м
врезам).
Д о с т а т о ч н о четко ф и к с и р у ю т с я потоки грунтовых вод, н а п р а в ­
л е н н ы е к н а и б о л е е глубоко в р е з а н н ы м " д р е н и р у ю щ и м " р е ч н ы м
д о л и н а м , з а м к н у т ы е б а с с е й н ы грунтового стока, с в я з а н н ы е с на­
л и ч и е м бессточных впадин различных размеров, о б ш и р н ы е участ­
ки с ч р е з в ы ч а й н о с л а б о в ы р а ж е н н ы м и уклонами зеркала грунтовых
вод. М а к с и м а л ь н ы е з н а ч е н и я градиентов и значительные скорости
д в и ж е н и я грунтовых вод х а р а к т е р н ы для участков и н т е н с и в н о г о
с о с р е д о т о ч е н н о г о п и т а н и я (русловое п о г л о щ е н и е , ф и л ь т р а ц и я из
к а н а л о в , м а с с и в ы о р о ш е н и я ) и глубоких э р о з и о н н ы х п о н и ж е н и й ,
являющихся участками интенсивной разгрузки. Для о б ш и р н ы х
равнинных территорий со слабой эрозионной расчлененностью
( п у с т ы н и , п о л у п у с т ы н и ) и о т н о с и т е л ь н о г л у б о к и м (10—15 м и
более) залеганием уровня грунтовых вод при отсутствии участков
о р о ш е н и я характерны, как правило, с л а б о в ы р а ж е н н ы е р е г и о н а л ь ­
ные потоки ф у н т о в ы х вод с малыми (0,001—0,0001) уклонами п о ­
верхности, направленные к наиболее глубоким э р о з и о н н ы м врезам,
к р у п н ы м б е с с т о ч н ы м в п а д и н а м , т е к т о н и ч е с к и м д е п р е с с и я м и т.д.
Разгрузка грунтовых вод в зависимости от глубины их залегания
и степени эрозионной расчлененности рельефа может осущест­
вляться различными путями (см. гл. 7). Р а з ф у з к а в виде источников
и в русла п о в е р х н о с т н ы х в о д о т о к о в х а р а к т е р н а д л я и н т е н с и в н о
расчлененных районов с низко- и среднегорным рельефом. Эти
http://geoschool.web.ru
Глава 13. П о д з е м н ы е воды а р и д н ы х областей
1
2
317
3
Рис. 13.4. Схема грунтового потока Прииртышской равнины (южная часть Запад­
но-Сибирской низменности): / — гидроизогипсы, цифры — абс. отм., м; 2 — то же,
по ограниченным данным; .? — направления движения грунтовых вод; 4 — соле­
ные озера
ф о р м ы разгрузки т и п и ч н ы также д л я о т н о с и т е л ь н о п р и п о д н я т ы х
п р е д г о р н ы х р а в н и н и бортовых частей м е ж г о р н ы х впадин а р и д ­
ной з о н ы , с л о ж е н н ы х г р у б о о б л о м о ч н ы м и о т л о ж е н и я м и к о н у с о в
выноса (см. гл. 11). П о д а н н ы м У . М . Ахмедсафина, В.Ф. Ш л ы г и ной и др. (1978), суммарная разгрузка подземных вод может д о с т и ­
гать здесь 0,5—0,7 м / с и более на 1 км русла. Т а к и е ж е ф о р м ы
разгрузки грунтовых вод характерны д л я к р у п н ы х р е ч н ы х д о л и н
и глубоких о з е р н ы х котловин п о л у а р и д н ы х т е р р и т о р и й , в с к р ы в а ­
ю щ и х уровень грунтовых вод (см. р и с . 13.4; 13.5). На п л о щ а д я х
о р о ш а е м ы х м а с с и в о в а р и д н о й зоны с п л о х и м и у с л о в и я м и естест3
http://geoschool.web.ru
Рис. 13.5. Схема грунтового потока впадины Файюм, АРЕ (по Тагеру М. Хасану, 1988): 1 — границы впадины;
2 — гидроизогипсы, цифры — абс. отм., м; 3 — направления движения грунтовых вод; 4 — ирригационные каналы;
5 — дренажные каналы
318
Часть III. О с н о в ы р е г и о н а л ь н о й г и д р о г е о л о г и и
http://geoschool.web.ru
Глава 13. П о д з е м н ы е воды а р и д н ы х областей
319
в е н н о г о д р е н и р о в а н и я грунтовых вод з н а ч и т е л ь н а я часть их раз­
грузки о б ы ч н о ф о р м и р у е т с я п о и с к у с с т в е н н о с о з д а в а е м о й д р е ­
н а ж н о й сети. П о д а н н ы м Д . М . Кана и В.М. Ш е с т а к о в а , на о р о ­
ш а е м ы х массивах п у с т ы н н ы х и п о л у п у с т ы н н ы х р а й о н о в С р е д н е й
Азии с н и з к о й естественной д р е н и р о в а н н о с т ь ю , с глубинами за­
л е г а н и я у р о в н я грунтовых вод I—3 м модуль д р е н а ж н о г о стока
достигает 20—30 л / с • к м и более (600—900 м м / г о д ) . С б р о с д р е ­
н а ж н ы х вод о с у щ е с т в л я е т с я в е с т е с т в е н н ы е русла и в о д о е м ы , в
б е с с т о ч н ы е в п а д и н ы и п о н и ж е н и я (см. р и с . 13.5) и д л я к р у п н ы х
м а с с и в о в о р о ш е н и я в связи с о т н о с и т е л ь н о п о в ы ш е н н о й м и н е р а ­
л и з а ц и е й и з а г р я з н е н и е м д р е н а ж н ы х вод представляет, к а к пра­
вило, д о с т а т о ч н о с л о ж н у ю э к о л о г о - т е х н и ч е с к у ю проблему.
В пределах о б ш и р н ы х р а в н и н н ы х т е р р и т о р и й а р и д н о й з о н ы ,
вблизи русел р е к и к а н а л о в , на н и з м е н н ы х п р и б р е ж н ы х р а в н и ­
нах, в д н и щ а х б е с с т о ч н ы х в п а д и н , на о р о ш а е м ы х п л о щ а д я х с глу­
б и н а м и залегания уровня грунтовых вод д о 3,0—5,0 м о с н о в н ы м
видом является разгрузка путем и с п а р е н и я и т р а н с п и р а ц и и расти­
тельностью. Величина с у м м а р н о й разгрузки грунтовых вод испаре­
нием и транспирацией растительностью определяется многими
ф а к т о р а м и , среди к о т о р ы х н а и б о л е е в а ж н ы м и я в л я ю т с я : к л и м а ­
т и ч е с к и е , о п р е д е л я ю щ и е о б щ у ю в е л и ч и н у и с п а р я е м о с т и ; глубина
залегания уровня грунтовых вод; состав пород з о н ы а э р а ц и и , о п р е ­
д е л я ю щ и й высоту к а п и л л я р н о г о п о д н я т и я ; н а л и ч и е или отсутст­
вие растительности и ее вид; м и н е р а л и з а ц и я грунтовых вод и д р .
В з а в и с и м о с т и от р а з л и ч н о г о с о ч е т а н и я этих ф а к т о р о в в е л и ч и н а
разгрузки грунтовых вод н а и с п а р е н и е и т р а н с п и р а ц и ю меняется
п р а к т и ч е с к и от 0 д о 1500—2000 м м / г о д и более. Во всех случаях
четко ф и к с и р у е т с я з а в и с и м о с т ь в е л и ч и н разгрузки грунтовых вод
и с п а р е н и е м от глубины залегания уровня грунтовых вод. Д а н н ы е ,
приведенные на рис. 13.6, показывают, что д л я условий Бухарско­
го оазиса при глубинах залегания уровня грунтовых вод 1,0—1,5 м
разгрузка грунтовых вод и с п а р е н и е м (даже без в л и я н и я т р а н с п и ­
рации) превышает не только в о з м о ж н ы е для этих условий величи­
ны и н ф и л ь т р а ц и о н н о г о п и т а н и я , н о и годовую сумму а т м о с ф е р ­
ных осадков. Подобные с о о т н о ш е н и я характерны в целом для
территории аридной зоны с величинами испаряемости порядка
1000—1200 м м / г о д и более ( п у с т ы н н ы е и п о л у п у с т ы н н ы е р а й о ­
ны). В связи с этим в естественных условиях относительно п о н и ­
ж е н н ы е участки т е р р и т о р и и ( м и к р о п о н и ж е н и я р е л ь е ф а , д н и щ а
бессточных в п а д и н , п р и б р е ж н ы е участки и др.) с глубинами зале­
гания уровня грунтовых вод 1,0—3,0 м, иногда глубже, к к о т о р ы м
направлен грунтовый сток с о б ш и р н ы х п р и л е г а ю щ и х т е р р и т о р и й ,
2
http://geoschool.web.ru
Часть III. О с н о в ы р е г и о н а л ь н о й г и д р о г е о л о г и и
320
Рис. 13.6. Зависимость величины раз­
грузки фунтовых вод испарением от глу­
бины их залегания (Бухарский оазис)
(по Д.М. Кану и В.М. Шестакову): 1 —
расход грунтовых вод на испарение с
поверхности почвы и т р а н с п и р а ц и ю
двухлетней люцерной за вегетационный
период; 2 — то же под хлопчатником;
3 — испарение грунтовых вод с поверх­
ности почвы без растительного покрова
и без орошения
являются областями формирования интенсивной разгрузки
грунтовых вод и с п а р е н и е м . П р и
этом другие виды разгрузки грунтовых вод ( и с т о ч н и к и , разгрузка
в русла р е к и др.) могут иметь р е з к о п о д ч и н е н н о е з н а ч е н и е и л и
вообще отсутствовать.
На о р о ш а е м ы х п л о щ а д я х а р и д н о й з о н ы с н и з к о й естественной
д р е н и р о в а н н о с т ь ю и глубинами залегания уровня грунтовых вод
до 1,0—3,0 м в е л и ч и н а разгрузки грунтовых вод за счет и с п а р е ­
н и я и т р а н с п и р а ц и и и з м е н я е т с я в с р е д н е м от 100—300 м м / г о д
(степная зона) д о 400—900 м м / г о д и более в п у с т ы н н ы х и полу­
п у с т ы н н ы х районах. П р и этом разгрузка грунтовых вод и с п а р е ­
н и е м и т р а н с п и р а ц и е й составляет в ряде случаев д о 50—60% и
более от их с у м м а р н о й разгрузки ( д р е н а ж н ы й сток плюс и с п а р е ­
ние и т р а н с п и р а ц и я ) ( К а ц , Ш е с т а к о в , 1981).
0
1
о
2,о
Глубина УГВ, м
3,0
Режим грунтовых вод а р и д н ы х т е р р и т о р и й в связи с о т н о с и ­
тельно большими глубинами залегания и малыми величинами
и н ф и л ь т р а ц и о н н о - к о н д е н с а ц и о н н о г о п и т а н и я в целом я в л я е т с я
более с т а б и л ь н ы м , чем в районах с гумидным климатом (см. гл. 7).
И с к л ю ч е н и е с о с т а в л я ю т участки с ф о р м и р о в а н и е м и н т е н с и в н о г о
питания грунтовых вод за счет п о г л о щ е н и я поверхностного стока,
о т н о с и т е л ь н о п о н и ж е н н ы е , с л а б о д р е н и р у е м ы е т е р р и т о р и и с глу­
б и н а м и з а л е г а н и я у р о в н я грунтовых вод д о 1,0—5,0 м, а т а к ж е
т е р р и т о р и и , где р е ж и м грунтовых вод ф о р м и р у е т с я п о д о п р е д е ­
л я ю щ и м воздействием а н т р о п о г е н н ы х ф а к т о р о в ( о р о ш е н и е , э к с ­
плуатация и д р . ) .
На участках и н т е н с и в н о г о п и т а н и я грунтовых вод за счет п о ­
глощения поверхностного стока рек и временных водотоков (пред­
г о р н ы е р а в н и н ы , м е ж г о р н ы е в п а д и н ы , к о н у с ы в ы н о с а , участки
р а с п р о с т р а н е н и я с поверхности и н т е н с и в н о - т р е щ и н о в а т ы х и з а ­
к а р с т о в а н н ы х пород и др.) г и д р о д и н а м и ч е с к и й р е ж и м грунтовых
вод связан с у с л о в и я м и ф о р м и р о в а н и я и в е л и ч и н а м и ф и л ь т р а ц и -
http://geoschool.web.ru
Глава 13. П о д з е м н ы е воды а р и д н ы х областей
321
о н н ы х потерь руслового стока. И з м е н е н и е в е л и ч и н ы ф и л ь т р а ц и ­
о н н о г о п о г л о щ е н и я р у с л о в о г о с т о к а по с е з о н а м года и в годы
р а з л и ч н о й водности (см. рис. 13.2) о п р е д е л я е т п е р и о д ы и а б с о ­
л ю т н ы е в е л и ч и н ы подъема уровня грунтовых вод на участках их
и н т е н с и в н о г о п и т а н и я . П о д а н н ы м и с с л е д о в а н и й , на предгорных
р а в н и н а х К а з а х с т а н а ( А х м е д с а ф и н , Ш л ы г и н а , 1978) в е л и ч и н ы
подъема уровня в периоды и н т е н с и в н о г о ф и л ь т р а ц и о н н о г о пита­
ния могут достигать 5—7 м и более. Соответствующее с н и ж е н и е
уровня п р о и с х о д и т в п е р и о д ы отсутствия или резкого у м е н ь ш е ­
ния величин п и т а н и я . С удалением от участков и н т е н с и в н о г о п и ­
т а н и я , как п р а в и л о , п р о и с х о д и т резкое у м е н ь ш е н и е а м п л и т у д с е ­
з о н н ы х и годовых к о л е б а н и й уровня грунтовых вод. В периоды
ф о р м и р о в а н и я и н т е н с и в н о г о п и т а н и я и подъема уровня н а б л ю ­
даются соответствующие и з м е н е н и я температуры грунтовых вод и
слабовыраженные изменения минерализации и содержания неко­
торых к о м п о н е н т о в х и м и ч е с к о г о состава.
На п о н и ж е н н ы х участках т е р р и т о р и и с г л у б и н а м и з а л е г а н и я
грунтовых вод д о 1,0—5,0 м ф о р м и р о в а н и е р е ж и м а их у р о в н е й
определяется главным образом с о о т н о ш е н и е м величин и с п а р е н и я ,
м е с т н о г о и н ф и л ь т р а ц и о н н о г о п и т а н и я и п р и т о к а со с т о р о н ы в
различные сезоны года (см. гл. 7). П о д ъ е м ы уровня грунтовых вод
с в я з а н ы здесь с п е р и о д а м и отсутствия или р е з к и м у м е н ь ш е н и е м
разгрузки грунтовых вод и с п а р е н и е м ( н а п р и м е р , о с е н н е - з и м н и й
период в условиях аридной зоны Средней Азии). Величины подъе­
ма уровня о п р е д е л я ю т с я и н т е н с и в н о с т ь ю п р и т о к а грунтовых вод
со с м е ж н ы х у ч а с т к о в , в о з м о ж н о й р а з г р у з к о й н а п о р н ы х вод из
н и ж е л е ж а щ и х г о р и з о н т о в и в е л и ч и н а м и местного и н ф и л ь т р а ц и ­
о н н о г о п и т а н и я ( и н ф и л ь т р а ц и я о с а д к о в о с е н н е г о периода, п е р и ­
од весеннего с н е г о т а я н и я и др.). В з а в и с и м о с т и от р а с п р е д е л е н и я
у к а з а н н ы х с о с т а в л я ю щ и х во в р е м е н и и их з н а ч е н и й в е л и ч и н ы
подъема уровня грунтовых вод, а т а к ж е з а к о н о м е р н о с т и его внутр и г о д о в ы х и м н о г о л е т н и х и з м е н е н и й могут б ы т ь р а з л и ч н ы м и .
О т н о с и т е л ь н о е с н и ж е н и е уровня грунтовых вод наблюдается, к а к
п р а в и л о , в п е р и о д ы м а к с и м а л ь н ы х расходов на и с п а р е н и е и от­
сутствия местного и н ф и л ь т р а ц и о н н о г о п и т а н и я (летний период).
З а к о н о м е р н о с т и т е м п е р а т у р н о г о р е ж и м а грунтовых вод о п р е ­
деляются главным о б р а з о м глубиной залегания у р о в н я грунтовых
вод и и з м е н е н и я м и (сезонные, годовые и др.) температуры воздуха
(см. гл. 7). Закономерности гидрогеохимического режима ф у н т о в ы х
вод могут б ы т ь р а з л и ч н ы м и в з а в и с и м о с т и от их м и н е р а л и з а ц и и ,
химического состава, и н т е н с и в н о с т и процессов к о н т и н е н т а л ь н о г о
з а с о л е н и я и др.
http://geoschool.web.ru
322
Часть III. О с н о в ы р е г и о н а л ь н о й г и д р о г е о л о г и и
На орошаемых т е р р и т о р и я х а р и д н о й з о н ы ф о р м и р о в а н и е р е ­
ж и м а грунтовых вод в р е ш а ю щ е й с т е п е н и с в я з а н о с в е л и ч и н а м и
и р е ж и м о м в о д о п о д а ч и , с т р о е н и е м верхней части г и д р о г е о л о г и ­
ческого разреза, у с л о в и я м и е с т е с т в е н н о г о и и с к у с с т в е н н о г о д р е ­
н и р о в а н и я о р о ш а е м ы х м а с с и в о в и др. ( К а п , Ш е с т а к о в , 1981).
В п е р в ы й п е р и о д п о с л е начала о р о ш е н и я и з м е н е н и я естест­
в е н н о г о р е ж и м а г р у н т о в ы х вод с в я з а н ы с о б щ и м п о д ъ е м о м их
уровня, в е л и ч и н ы которого в п е р в ы й год д е й с т в и я о р о с и т е л ь н о й
с и с т е м ы могут достигать 2,0—3,0 м / г о д и более. В д а л ь н е й ш е м на
действующей оросительной системе закономерности изменения
уровней грунтовых вод о п р е д е л я ю т с я главным о б р а з о м р е ж и м о м
в о д о п о д а ч и , п о л о ж е н и е м участков о т н о с и т е л ь н о и р р и г а ц и о н н ы х
каналов и поливных площадей, условиями формирования и вели­
ч и н а м и ф и л ь т р а ц и о н н ы х потерь из магистральной и р а с п р е д е л и ­
т е л ь н о й сети, у с л о в и я м и р а з г р у з к и г р у н т о в ы х вод и с п а р е н и е м ,
действием к о л л е к т о р н о - д р е н а ж н о й сети и д р . И з р и с . 13.7 в и д н о ,
что в зоне в л и я н и я и р р и г а ц и о н н ы х к а н а л о в п р и ф о р м и р о в а н и и
з н а ч и т е л ь н ы х ф и л ь т р а ц и о н н ы х потерь подъем у р о в н я ф у н т о в ы х
вод п р о и с х о д и т д о с т а т о ч н о б ы с т р о п о с л е н а ч а л а п о д а ч и в о д ы
( м а й ) . В ы с о к о е п о л о ж е н и е у р о в н я с о х р а н я е т с я в т е ч е н и е всего
летнего и о с е н н е г о периодов.
13.2. Формирование химического состава
подземных вод
Ф о р м и р о в а н и е х и м и ч е с к о г о с о с т а в а г р у н т о в ы х вод а р и д н ы х
т е р р и т о р и й с в я з а н о с п р о я в л е н и е м всей ф у п п ы п р о ц е с с о в , р а с ­
с м о т р е н н ы х в ы ш е (см. гл. 4). О д н а к о в связи с характером п р и ­
р о д н ы х , п р е ж д е всего к л и м а т и ч е с к и х , у с л о в и й и с в я з а н н ы м и с
этим з а к о н о м е р н о с т я м и ф о р м и р о в а н и я р е ж и м а и баланса грунто­
вых вод проявление этих процессов в пределах аридных территорий
характеризуется рядом с п е ц и ф и ч е с к и х о с о б е н н о с т е й .
Роль процесса в ы щ е л а ч и в а н и я определяется ш и р о к и м и в ц е ­
лом неравномерным распространением в ионно-солевом комп­
л е к с е почв и п о р о д з о н ы а э р а ц и и а р и д н ы х т е р р и т о р и й легкораст­
воримых соединений типа N a C l , N a S 0 , N a C 0 , C a S 0 и др.
П о в ы ш е н н ы е в с р а в н е н и и с гумидной з о н о й с о д е р ж а н и я л е г к о ­
растворимых соединений определяются, с одной стороны, широ­
к и м р а з в и т и е м здесь п р о ц е с с о в и с п а р е н и я и к о н т и н е н т а л ь н о г о
з а с о л е н и я почв и п о р о д з о н ы а э р а ц и и , а с другой — м е д л е н н ы м и
с к о р о с т я м и их р а с т в о р е н и я и в ы н о с а (так ж е к а к из п е р в и ч н о з а 2
http://geoschool.web.ru
4
3
4
Глава 13. П о д з е м н ы е воды а р и д н ы х областей
323
Глубина уровня
подземных вод, м
Глубина уровня
подземных вод, м
О
Ог
^ 2
Месяцы
Годы
I
£ осадков
Рис. 13.7. Графики режима уровней
подземных вод Богаевско-Садковской
оросительной системы (по Д.М. Кацу и
В.М. Шестакову): а — зона влияния
магистрального оросительного канала;
6 — орошаемые земли; в — естествен­
ные условия (неорошаемые земли); г —
орошаемые земли в зоне влияния коллекторно-дренажной сети
VI
1968
X I
VI X I
1969
VI X
1970
491,0 мм
431,4
470,0
XI
1972
VI
1973
VI X
1974
г и п с о в а н н ы х или з а с о л е н н ы х пород) в связи с м а л ы м и ( м м / г о д , в
редких случаях д е с я т к и м м / г о д ) в е л и ч и н а м и и н ф и л ь т р а ц и о н н о к о н д е н с а ц и о н н о г о п и т а н и я . И з м е н е н и е (от у ч а с т к а к участку)
степени з а с о л е н н о с т и верхней части разреза, состава и о н н о - с о л е вого к о м п л е к с а горных пород, а т а к ж е в е л и ч и н и скоростей и н ­
ф и л ь т р а ц и и п р и в о д и т к тому, что уже в процессе " и н ф и л ь т р а ц и ­
о н н о г о в ы щ е л а ч и в а н и я " в о з м о ж н о формирование
грунтовых
вод
существенно различного химического состава и минерализации.
При
этом п р е с н ы е п о д з е м н ы е воды с м и н е р а л и з а ц и е й м е н е е 1,0 г/л
( H C 0 — C a ( N a ) ; H C 0 ( S 0 ) — C a ( N a ) и другого состава) ф о р м и р у ­
ются главным образом на участках и н т е н с и в н о г о п и т а н и я грунто­
вых вод (зоны поглощения руслового стока рек и каналов, участки
3
3
4
http://geoschool.web.ru
Часть III. О с н о в ы р е г и о н а л ь н о й г и д р о г е о л о г и и
324
с и н т е н с и в н ы м увлажнением за счет большого количества осадков,
таяния снега, поверхностного склонового стока и др.) или на
участках, где верхняя часть разреза представлена н е з а с е л е н н ы м и ,
преимущественно высокопроницаемыми породами (галечники,
г р а в и й н о - п е с ч а н ы е о б р а з о в а н и я , и н т е н с и в н о - т р е щ и н о в а т ы е или
з а к а р с т о в а н н ы е породы и т.д.). П р и среднем уровне з а с о л е н н о с т и
разреза и малых величинах и н ф и л ь т р а ц и о н н о - к о н д е н с а ц и о н н о г о
п и т а н и я ф о р м и р у ю т с я грунтовые воды о т н о с и т е л ь н о п о в ы ш е н ­
ной м и н е р а л и з а ц и и (до 1,5—3,0 г/л и более) S 0 ( H C 0 ) — N a ( C a ) ;
S 0 — N a ( C a ) и другого состава ( М а р и н о в и др., 1978). На участ­
ках р а с п р о с т р а н е н и я и н т е н с и в н о з а с о л е н н ы х почв и пород з о н ы
аэрации (солончаки, солонцы, погребенные засоленные почвы,
т е р р а с ы с о л е н ы х о з е р , с о в р е м е н н ы е м о р с к и е о т л о ж е н и я и др.)
непосредственно в процессе инфильтрационно-конденсационного п и т а н и я ф о р м и р у ю т с я п р е и м у щ е с т в е н н о х л о р и д н ы е (CI—Na;
C1(S0 )—Na и др.) воды в о с н о в н о м п о в ы ш е н н о й и высокой
(10—50 г/л и более) м и н е р а л и з а ц и и .
Р а з л и ч н ы е с о ч е т а н и я п е р е ч и с л е н н ы х в ы ш е ф а к т о р о в приводят
к тому, что на о б ш и р н ы х п л о щ а д я х а р и д н ы х т е р р и т о р и й с естест­
в е н н ы м и у с л о в и я м и и о т н о с и т е л ь н о б о л ь ш и м и (10—15 м и более)
глубинами залегания уровня ф у н т о в ы х вод (что исключает замет­
ное в л и я н и е и с п а р е н и я ) н е п о с р е д с т в е н н о в п р о ц е с с е и н ф и л ь т р а ц и о н н о - к о н д е н с а ц и о н н о г о питания ф о р м и р у ю т с я преимуществен­
но воды " п е с т р о г о " х и м и ч е с к о г о с о с т а в а с м и н е р а л и з а ц и е й от
менее 1,0 д о 3—4 г/л и более. П р и этом ш и р о к о е распространение
грунтовых вод с м и н е р а л и з а ц и е й менее 1,0 г/л х а р а к т е р н о глав­
н ы м о б р а з о м для п о л у а р и д н ы х р а й о н о в с к о э ф ф и ц и е н т а м и у в ­
л а ж н е н и я 0,5—0,6 и более, для м е ж г о р н ы х впадин и предгорных
р а в н и н , о т н о с и т е л ь н о п р и п о д н я т ы х участков, с л о ж е н н ы х и н т е н ­
сивно-трещиноватыми и закарстованными породами, и др. На
о б ш и р н ы х р а в н и н н ы х территориях аридной зоны (пустыни, полу­
пустыни) грунтовые воды с м и н е р а л и з а ц и е й менее 1,0 г/л нередко
распространены только в виде горизонтов верховодки, на локальных
участках и н т е н с и в н о г о п и т а н и я , в виде л и н з вблизи русел р е к и
к а н а л о в и д р . (рис. 13.8).
4
3
4
4
При з н а ч и т е л ь н ы х глубинах залегания и малых з н а ч е н и я х и н ф и л ь т р а ц и о н н о - к о н д е н с а ц и о н н о г о п и т а н и я (вне участков и н т е н ­
с и в н о г о п о г л о щ е н и я п о в е р х н о с т н ы х вод и о р о ш е н и я ) д л я грунто­
вых вод а р и д н о й з о н ы , к а к п р а в и л о , не х а р а к т е р н ы с у щ е с т в е н ­
н ы е и з м е н е н и я ( с е з о н н ы е , годовые и др.) их м и н е р а л и з а ц и и и
х и м и ч е с к о г о состава ( К о в а л е в с к и й , 1983).
http://geoschool.web.ru
Глава 13. П о д з е м н ы е воды а р и д н ы х областей
325
м
80 г
60
40
20
о
3
'•GZT/Z
Ур. воды
-20
-40
- 2 /••///. 3
1 ~
CISO,
K+Na
4
Рис. 13.8. Разрез через линзу пресных под песков Черкезли, Туркмения (по Н.Г. Шев­
ченко, 1963): I — пески; 2 — глины; .? — прослои глин, суглинков и супесей; 4 —
химический состав подземных вод; .5 — изолинии минерализации, цифры — ми­
нерализация подземных вод. г/л
Другие условия ф о р м и р о в а н и я х и м и ч е с к о г о состава, в е л и ч и н ы
м и н е р а л и з а ц и и и т и п ы п о д з е м н ы х вод характерны д л я участков и
площадей а р и д н о й з о н ы с неглубоким (до 1,0—5,0 м) залеганием
уровня ф у н т о в ы х вод. На таких участках разгрузка осуществляется
в о с н о в н о м путем и с п а р е н и я и т р а н с п и р а ц и и р а с т и т е л ь н о с т ь ю .
И н т е н с и в н а я разгрузка грунтовых вод и с п а р е н и е м п р и в о д и т к з а ­
с о л е н и ю верхней части разреза, с чем с в я з а н о о б р а з о в а н и е и н а ­
к о п л е н и е на поверхности з е м л и , в п о ч в е н н о м слое и в породах
з о н ы а э р а ц и и р а з л и ч н ы х м и н е р а л ь н ы х с о е д и н е н и й , в том числе
легкорастворимых (NaCl, N a S 0 , N a C O M g C l и др.). Типич­
ным примером площадей с интенсивной засоленностью являются
солончаки,
ш и р о к о р а с п р о с т р а н е н н ы е на п о н и ж е н н ы х участках
а р и д н о й з о н ы . О с о б е н н о и н т е н с и в н о н а к о п л е н и е солей п р о и с х о ­
д и т на участках, где в грунтовый в о д о н о с н ы й г о р и з о н т и через
него на поверхность земли разгружаются воды более глубоких го­
ризонтов с относительно п о в ы ш е н н о й минерализацией. К а к было
сказано выше (см. гл. 7), сам по себе процесс разгрузки грунтовых
вод испарением не должен приводить к заметному увеличению их
м и н е р а л и з а ц и и , т а к к а к н а к о п л е н и е солей в этом случае происхо2
4
2
v
http://geoschool.web.ru
2
326
Часть III. О с н о в ы р е г и о н а л ь н о й г и д р о г е о л о г и и
дит главным образом на границе к а п и л л я р н о й к а й м ы : в породах
з о н ы а э р а ц и и , в п о ч в е н н о м слое, на поверхности земли. О д н а к о
в п е р и о д ы ф о р м и р о в а н и я на э т и х у ч а с т к а х и н ф и л ь т р а ц и о н н о к о н д е н с а ц и о н н о г о п и т а н и я ( ф и л ь т р а ц и о н н ы х потерь п р и о р о ш е ­
н и и и т.д.) происходит " в т о р и ч н о е " в ы щ е л а ч и в а н и е л е г к о р а с т в о ­
р и м ы х м и н е р а л ь н ы х с о е д и н е н и й , которые с и н ф и л ь т р у ю ш и м и с я
водами поступают в грунтовый в о д о н о с н ы й горизонт. Д л и т е л ь н о е
протекание процессов испарения и вторичного выщелачивания
легкорастворимых соединений неизбежно приводит к засолению
ф у н т о в о г о водоносного горизонта под солончаковыми п о н и ж е н и я ­
ми нередко д о к о н ц е н т р а ц и и рассолов (50—100 г/л). В котловинах
с о л е н ы х озер на поверхности с о в р е м е н н ы х и верхнечетвертичных
м о р с к и х террас ( З а п а д н а я Т у р к м е н и я ) м и н е р а л и з а ц и я грунтовых
вод в ряде случаев достигает 150—200 г/л и более. Х и м и ч е с к и й
с о с т а в г р у н т о в ы х вод м о ж е т б ы т ь р а з л и ч н ы м : H C 0 — N a ( M g ) ;
S0 (C1)—Na(Mg); CI—Na, о д н а к о при м и н е р а л и з а ц и и более 5,0 г/л
дальнейшее концентрирование связано главным образом с на­
к о п л е н и е м хлоридов и сульфатов натрия и м а г н и я ( О с н о в ы гид­
рогеологии, 1980).
3
4
Гидрогеохимический режим ф у н т о в ы х вод на участках с естествен­
н ы м з а с о л е н и е м связан с п е р и о д а м и ф о р м и р о в а н и я и н ф и л ь т р а ционно-конденсационного питания и с сезонными изменениями
положения уровня грунтовых вод. Поступление легкорастворимых
с о е д и н е н и й с и н ф и л ь т р а ц и о н н ы м и водами п р и в о д и т к у в е л и ч е ­
н и ю м и н е р а л и з а ц и и и и з м е н е н и ю химического состава ф у н т о в ы х
вод в верхней части водоносного горизонта, которые в зависимости
от структуры потока грунтовых вод на д а н н о м участке в т о й и л и
и н о й мере могут р а с п р о с т р а н я т ь с я на в с ю м о щ н о с т ь в о д о н о с н о г о
горизонта и даже на н и ж е л е ж а щ и е г о р и з о н т ы разреза (см. гл. 7).
В периоды подъема уровня грунтовых вод и з м е н е н и е их состава
и м и н е р а л и з а ц и и в верхней части в о д о н о с н о г о горизонта с в я з а н о
с выщелачиванием легкорастворимых соединений, накапливаю­
щихся при н и з к о м п о л о ж е н и и уровня в ы ш е ф а н и ц ы к а п и л л я р н о й
к а й м ы , и п р о ц е с с а м и и о н н о г о о б м е н а между г р у н т о в ы м и водами
и породами з о н ы а э р а ц и и .
На о р о ш а е м ы х площадях а р и д н о й зоны в первый период после
начала о р о ш е н и я и с в я з а н н о г о с э т и м о б щ е г о п о д ъ е м а у р о в н я
грунтовых вод ф о р м и р о в а н и е х и м и ч е с к о г о состава и м и н е р а л и з а ­
ции п о д з е м н ы х вод определяется п р о ц е с с а м и р а с т в о р е н и я с о л е й ,
с о д е р ж а щ и х с я в породах з о н ы а э р а ц и и ( о б в о д н е н и е п о р о д з о н ы
а э р а ц и и п р и ф и л ь т р а ц и и о р о с и т е л ь н ы х вод и п о д ъ е м е у р о в н я
грунтовых вод), а т а к ж е п р о ц е с с а м и и о н н о г о о б м е н а . Э т о , к а к
http://geoschool.web.ru
Глава 13. П о д з е м н ы е воды а р и д н ы х о б л а с т е й
327
правило, приводит к относительному увеличению минерализации
грунтовых вод. А н и о н н ы й состав грунтовых вод в з а в и с и м о с т и от
и о н н о - с о л е в о г о к о м п л е к с а п о р о д з о н ы а э р а ц и и может б ы т ь р а з ­
л и ч н ы м , а и з м е н е н и е их к а т и о н н о г о состава в этом случае связа­
но п р е и м у щ е с т в е н н о с у в е л и ч е н и е м о т н о с и т е л ь н о г о с о д е р ж а н и я
и о н а натрия (см. гл. 4). В д а л ь н е й ш е м п р и э к с п л у а т а ц и и о р о с и ­
т е л ь н ы х систем п р о ц е с с ы ф о р м и р о в а н и я х и м и ч е с к о г о состава и
м и н е р а л и з а ц и и грунтовых вод о п р е д е л я ю т с я глубиной залегания
их уровня. П р и з н а ч и т е л ь н ы х (5,0—6,0 м и более) глубинах зале­
гания у р о в н я с о л е в о й б а л а н с грунтового в о д о н о с н о г о г о р и з о н т а
определяется только составом и минерализацией оросительных
вод, п р о ц е с с а м и в ы щ е л а ч и в а н и я и о б м е н а в породах з о н ы а э р а ­
ции (роль этих п р о ц е с с о в п о с т е п е н н о у м е н ь ш а е т с я п р и э к с п л у а ­
тации оросительной системы) и выносом растворенных веществ
грунтовым п о т о к о м . П р и и с п о л ь з о в а н и и для о р о ш е н и я о т н о с и ­
т е л ь н о м а л о м и н е р а л и з о в а н н ы х вод в о б щ е м случае п р о и с х о д я т
п о с т е п е н н о е у м е н ь ш е н и е м и н е р а л и з а ц и и и соответствующие и з ­
м е н е н и я х и м и ч е с к о г о с о с т а в а г р у н т о в ы х вод. П р и н е г л у б о к о м
(менее 5,0 м) залегании уровня грунтовых вод ф о р м и р о в а н и е их
х и м и ч е с к о г о состава и м и н е р а л и з а ц и и определяется с о о т н о ш е н и ­
ем в е л и ч и н п и т а н и я и разгрузки путем и с п а р е н и я . Н а слабодренируемых орошаемых массивах с глубинами залегания уровня
грунтовых вод I—2 м и н т е н с и в н а я разгрузка грунтовых вод и с п а ­
р е н и е м с т е ч е н и е м в р е м е н и (в о т д е л ь н ы х с л у ч а я х д о с т а т о ч н о
быстро) приводит к развитию процессов вторичного засоления
п о ч в е н н о г о слоя и ф о р м и р о в а н и ю м и н е р а л и з о в а н н ы х вод суль­
фатного, хлоридно-сульфатного, преимущественно натриевого и
м а г н и е в о - н а т р и е в о г о состава. Рассоление почвенного слоя, с чем
связана возможность д а л ь н е й ш е г о сельскохозяйственного и с п о л ь ­
з о в а н и я в т о р и ч н о з а с о л я ю щ и х с я земель, п р о и с х о д и т в п р о ц е с с е
о р о ш е н и я , в частности при п р о в е д е н и и с п е ц и а л ь н ы х , так н а з ы ­
ваемых " п р о м ы в н ы х " , п о л и в о в , расходы к о т о р ы х при п р о м ы в а х
с и л ь н о з а с о л е н н ы х земель достигают Ю—20 т ы с . м / ч и более на
I га площади ( К а ц , Ш е с т а к о в , 1981). О с н о в н о й расходной статьей
солевого баланса грунтовых вод в этих условиях является в ы н о с
солей с д р е н а ж н ы м стоком. С б р о с д р е н а ж н ы х вод, и м е ю щ и х о т н о ­
сительно п о в ы ш е н н у ю м и н е р а л и з а ц и ю , как правило, более 1,0 г/л,
содержащих к о м п о н е н т ы м и н е р а л ь н ы х удобрений, химические ве­
щества, используемые для б о р ь б ы с с о р н я к а м и и с е л ь с к о х о з я й с т ­
в е н н ы м и в р е д и т е л я м и , в р е к и , озера, б е с с т о ч н ы е в п а д и н ы и д р .
(см. рис. 13.5) о б ы ч н о приводит к прогрессирующему з а г р я з н е н и ю
п о в е р х н о с т н ы х и грунтовых вод.
3
http://geoschool.web.ru
328
Часть III. О с н о в ы р е г и о н а л ь н о й г и д р о г е о л о г и и
Рассмотренные выше общие закономерности формирования
п о д з е м н ы х вод а р и д н ы х т е р р и т о р и й характерны главным образом
для грунтового в о д о н о с н о г о г о р и з о н т а , з а л е г а ю щ е г о п е р в ы м от
п о в е р х н о с т и з е м л и . Более глубоко з а л е г а ю щ и е п о д з е м н ы е воды
о т н о с и т е л ь н о м е н ь ш е зависят от к о м п л е к с а л а н д ш а ф т н о - к л и м а т и ч е с к и х условий а р и д н ы х т е р р и т о р и й , и в о б щ е м случае такая
з а в и с и м о с т ь р е з к о у м е н ь ш а е т с я с у в е л и ч е н и е м глубины залегания
п о д з е м н ы х вод. О д н а к о для м е ж п л а с т о в ы х в о д о н о с н ы х г о р и з о н ­
т о в п е р в о г о г и д р о г е о л о г и ч е с к о г о этажа а р т е з и а н с к и х б а с с е й н о в
п л а т ф о р м е н н о г о типа, м е ж г о р н ы х б а с с е й н о в , а также т р е щ и н н о ж и л ь н ы х и п л а с т о в о - т р е щ и н н ы х вод верхней части разреза с к л а д ­
чатых областей а р и д н о й з о н ы с р а в н и н н ы м или н и з к о г о р н ы м ре­
л ь е ф о м условия ф о р м и р о в а н и я и р а с п р е д е л е н и я в е л и ч и н с о в р е ­
м е н н о г о п и т а н и я , структура п о т о к о в п о д з е м н ы х вод, условия их
разгрузки, гидрогеохимическая з о н а л ь н о с т ь разреза (см. гл. 7—9)
в той или иной мере всегда с в я з а н ы с р а с с м о т р е н н ы м и в ы ш е о б ­
щ и м и з а к о н о м е р н о с т я м и ф о р м и р о в а н и я грунтовых вод этой з о н ы .
В пределах а р и д н ы х т е р р и т о р и й п о д з е м н ы е воды часто я в л я ­
ются е д и н с т в е н н ы м и с т о ч н и к о м х о з я й с т в е н н о - п и т ь е в о г о в о д о ­
с н а б ж е н и я . О д н а к о в п у с т ы н н ы х и п о л у п у с т ы н н ы х р а й о н а х от­
н о с и т е л ь н о п о в ы ш е н н а я в целом м и н е р а л и з а ц и я грунтовых вод
д е л а е т их н е п р и г о д н ы м и д л я и с п о л ь з о в а н и я в п и т ь е в ы х и х о ­
з я й с т в е н н ы х целях. Во м н о г и х случаях в а л л ю в и а л ь н о - о з е р н ы х
и эоловых о т л о ж е н и я х этих р а й о н о в м а л о м и н е р а л и з о в а н н ы е
(до 1—2 г/л) грунтовые воды, п р и г о д н ы е для и с п о л ь з о в а н и я , р а с ­
пространены п р е и м у щ е с т в е н н о в виде л и н з , залегающих в верхней
части в о д о н о с н о г о горизонта на с о л е н ы х водах, или на подстила­
ю щ и х с л а б о п р о н и ц а е м ы х породах. Н а и б о л е е ш и р о к о р а с п р о с т р а ­
н е н ы л и н з ы п р е с н ы х вод п р и р у с л о в о г о ( д о л и н ы р е к ) и п р и к а ­
нального типа, ф о р м и р у ю щ и е с я за счет п и т а н и я п о в е р х н о с т н ы м и
водами. Б л а г о п р и я т н ы е условия ф о р м и р о в а н и я " п р е с н ы х " л и н з
характерны т а к ж е для участков, п р и л е г а ю щ и х к сухим руслам, где
в о з м о ж н о ф о р м и р о в а н и е п е р и о д и ч е с к о г о п о в е р х н о с т н о г о стока в
годы (сезоны) п о в ы ш е н н о й водности; под п о н и ж е н и я м и , з а н я т ы ­
ми т а к ы р а м и и др. Ф о р м и р о в а н и е о т н о с и т е л ь н о н е к р у п н ы х л и н з
м а л о м и н е р а л и з о в а н н ы х вод в о з м о ж н о т а к ж е на л о к а л ь н ы х участ­
ках, где по р а з л и ч н ы м п р и ч и н а м существуют более б л а г о п р и я т ­
ные условия инфильтрационного и конденсационного питания
( р а с п р о с т р а н е н и е с поверхности в ы с о к о п р о н и ц а е м ы х пород, п о ­
н и ж е н и я , в которых в з и м н и й п е р и о д н а к а п л и в а е т с я более м о щ ­
н ы й с н е ж н ы й п о к р о в и др.). В ряде случаев л и н з ы м а л о м и н е р а -
http://geoschool.web.ru
Глава 13. П о д з е м н ы е воды а р и д н ы х областей
329
л и з о в а н н ы х вод в э о л о в ы х о т л о ж е н и я х п у с т ы н ь р а с с м а т р и в а ю т с я
как р е л и к т о в ы е о б р а з о в а н и я п р е д ы д у щ и х более влажных этапов
четвертичного периода.
Размеры л и н з м а л о м и н е р а л и з о в а н н ы х вод в плане и з м е н я ю т с я
от н е с к о л ь к и х д о 200—400 к м , в и с к л ю ч и т е л ь н ы х с л у ч а я х д о
1000—2000 к м и более. П л о щ а д ь Я с х а н с к о й л и н з ы ( Ц е н т р а л ь ­
ные К а р а к у м ы ) в пределах контура р а с п р о с т р а н е н и я грунтовых
вод с м и н е р а л и з а ц и е й менее 1,0 г/л составляет 1770 к м , п л о щ а д ь
Д ж и л л и к у м с к о й л и н з ы — о к о л о 3000 к м (Гидрогеология С С С Р .
Т. X X X V I I I . 1971). М о щ н о с т ь слоя " п р е с н ы х ' вод в л и н з а х и з м е ­
няется от 1—2 м у л и н з о г р а н и ч е н н ы х р а з м е р о в д о 30—40 м в
центральных частях к р у п н ы х л и н з , в и с к л ю ч и т е л ь н ы х случаях, с
учетом п о с т и л а ю щ и х р ы х л ы х о з е р н о - а л л ю в и а л ь н ы х о т л о ж е н и й ,
до 100 м и более. В о з м о ж н о с т и э к с п л у а т а ц и и л и н з п р е с н ы х вод
во многих случаях р е з к о о г р а н и ч е н н ы в связи с о т н о с и т е л ь н о м а ­
лой м о щ н о с т ь ю слоя п р е с н ы х вод, н е з н а ч и т е л ь н ы м и ресурсами и
б л и з к и м залеганием п о д з е м н ы х вод с п о в ы ш е н н о й м и н е р а л и з а ­
ц и е й . О д н а к о на к р у п н ы х л и н з а х со з н а ч и т е л ь н о й м о щ н о с т ь ю
пресных вод и о т н о с и т е л ь н о в ы с о к о й (до 10 м/сут и более) п р о ­
ницаемостью водовмещающих пород возможна эксплуатация
водозаборов с п р о и з в о д и т е л ь н о с т ь ю д о 10 т ы с . м / с у т и более.
При определенном строении гидрогеологического разреза особен­
но в краевых частях а р т е з и а н с к и х б а с с е й н о в ( З а п а д н о - С и б и р с к а я
область, С ы р д а р ь и н с к и й б а с с е й н и др.) м а л о м и н е р а л и з о в а н н ы е
п о д з е м н ы е воды могут б ы т ь ш и р о к о р а с п р о с т р а н е н ы в залегаю­
щ и х н и ж е м е ж п л а с т о в ы х в о д о н о с н ы х горизонтах, и з о л и р о в а н н ы х
от з а с о л е н н ы х ф у н т о в ы х вод в ы д е р ж а н н ы м и с л о я м и с л а б о п р о н и ­
цаемых пород (см. гл. 10).
2
2
2
2
1
3
Вопросы к главе 13
1. Основные особенности формирования
подземных вод аридных
территорий.
2. Взаимодействие
поверхностных и подземных вод.
3. Причины, определяющие
изменение минерализации
грунтовых
вод в диапазоне от менее 1,0 до 100 г/л и более.
4. Роль процессов испарения в формировании минерализации
и хи­
мического состава грунтовых вод.
5. Режим грунтовых вод на орошаемых
территориях.
6. Линзы "пресных" подземных вод. Условия
формирования.
http://geoschool.web.ru
IV
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
И ОХРАНА
ПОДЗЕМНЫХ ВОД
И с т о р и я ж и з н и и развития человеческого общества в о п р е д е ­
л е н н о й мере может рассматриваться как история и н т е н с и в н о р а з ­
вивающегося хозяйственного использования (потребления) при­
родных ресурсов З е м л и . В а ж н е й ш и м видом п р и р о д н ы х ресурсов,
без которых н е в о з м о ж н ы не только ж и з н ь человеческого общества,
но и с у щ е с т в о в а н и е ж и з н и на планете, я в л я ю т с я п р и р о д н ы е
в о д ы . Оценивая существующую и перспективную потребность
тех или иных регионов планеты в водных ресурсах, о б ы ч н о имеют
в виду и с п о л ь з о в а н и е их для о р г а н и з а ц и и р а з л и ч н ы х видов в о д о ­
с н а б ж е н и я . О д н а к о значение подземных вод в ж и з н и человеческого
общества не о г р а н и ч и в а е т с я т о л ь к о н у ж д а м и в о д о с н а б ж е н и я , п о ­
скольку они используются как к о м п л е к с н о е полезное ископаемое:
в л е ч е б н ы х целях, в качестве с ы р ь е в ы х и т е р м о э н е р г е т и ч е с к и х
ресурсов. И с к л ю ч и т е л ь н у ю роль п о д з е м н ы х вод в ж и з н и ч е л о в е ­
ческого общества четко сформулировал академик А.П. К а р п и н ­
с к и й (1931): "...нет более д р а г о ц е н н о г о и с к о п а е м о г о , как вода".
Виды х о з я й с т в е н н о г о и с п о л ь з о в а н и я п о д з е м н ы х вод в н а с т о я ­
щее время о п р е д е л я ю т с я главным образом в е л и ч и н о й их м и н е р а ­
л и з а ц и и , к о м п о н е н т н ы м ( х и м и ч е с к и м ) составом и температурой.
В соответствии с видом хозяйственного использования все подзем­
ные воды п о д р а з д е л я ю т с я на пресные ( с л а б о м и н е р а л и з о в а н н ы е ) ,
используемые для организации хозяйственно-питьевого водо­
с н а б ж е н и я и с е л ь с к о х о з я й с т в е н н о г о о р о ш е н и я (питьевые, т е х н и ­
ч е с к и е , о р о с и т е л ь н ы е ) ; минеральные лечебные воды, п р и м е н я е м ы е
для о р г а н и з а ц и и с а н а т о р н о - к у р о р т н о г о л е ч е н и я или в качестве
с т о л о в ы х и л е ч е б н ы х ; минеральные
промышленные,
являющиеся
сырьем для получения п р о м ы ш л е н н о ц е н н ы х к о м п о н е н т о в (гид­
р о м и н е р а л ь н о е сырье); термальные, или т е п л о э н е р г е т и ч е с к и е , и с ­
пользуемые в качестве и с т о ч н и к а получения т е п л о в о й э н е р г и и .
П о аналогии с другими видами полезных ископаемых в гидро­
геологии ш и р о к о используется п о н я т и е "месторождение
подземных
вод", под к о т о р ы м следует п о н и м а т ь
балансово-гидродинамический
элемент подземной гидросферы, в пределах которого возможно по-
http://geoschool.web.ru
Глава 14. Р е с у р с ы п о д з е м н ы х вод х о з я й с т в е н н о - п и т ь е в о г о назначения
331
лучение (отбор) подземных вод определенного
состава и качества
в количестве, достаточном для их экономически целесообразного
ис­
пользования.
В качестве балансово-гидродинамического элемента в этом
случае р а с с м а т р и в а е т с я (см. гл. 6) л ю б ы м о б р а з о м
ограниченный
элемент п о д з е м н о й г и д р о с ф е р ы , т.е. г р а н и ц а м и м е с т о р о ж д е н и я в
отличие от гидрогеологического р а й о н а могут являться не т о л ь к о
естественные г р а н и ц ы того или и н о г о вида, но и у с л о в н ы е (рас­
четные) б а л а н с о в о - г и д р о д и н а м и ч е с к и е г р а н и ц ы .
Содержание понятия "месторождение подземных вод" опре­
деляется с п е ц и ф и к о й п о л е з н о г о и с к о п а е м о г о " п о д з е м н ы е в о д ы " .
В соответствии с этим п о н я т и е м запасы п о д з е м н ы х вод (так н а ­
з ы в а е м ы е э к с п л у а т а ц и о н н ы е з а п а с ы , см. н и ж е ) о п р е д е л я ю т с я не
о б ъ е м о м воды, с о д е р ж а щ и м с я в р а с с м а т р и в а е м о м элементе п о д ­
з е м н о й г и д р о с ф е р ы , а тем количеством п о д з е м н ы х вод, которое
может быть получено при э к с п л у а т а ц и и м е с т о р о ж д е н и я . В расче­
те на период э к с п л у а т а ц и и запасы п о д з е м н ы х вод м е с т о р о ж д е н и я
в з а в и с и м о с т и от его т и п а могут б ы т ь как м е н ь ш е , так и б о л ь ш е
объема воды, с о д е р ж а щ е г о с я в д а н н о м элементе п о д з е м н о й гид­
р о с ф е р ы . Это с в я з а н о с тем, что в о т л и ч и е от всех других видов
полезных ископаемых подземные воды обладают у н и к а л ь н ы м
с в о й с т в о м — возобновляемостью.
Х а р а к т е р и з у я эту о с о б е н н о с т ь
п о д з е м н ы х вод, Ф.А. М а к а р е н к о и Ф . П . С а в а р е н с к и й с ф о р м у л и ровачи п р и н ц и п и а л ь н о важное п о л о ж е н и е о т о м , что запасы под­
земных вод являются неисчерпаемыми
в пределах их
возобновления.
П о н я т и е "воды р а з л и ч н о г о состава и качества" определяется ве­
л и ч и н о й м и н е р а л и з а ц и и , с о с т а в о м и к о н ц е н т р а ц и е й тех и л и
иных химических к о м п о н е н т о в , температурой воды и другими
х а р а к т е р и с т и к а м и , что определяет р а з л и ч н ы е виды воды по усло­
виям их и с п о л ь з о в а н и я .
В о п р е д е л е н и и м е с т о р о ж д е н и я п о д з е м н ы х вод п р и н ц и п и а л ь н о
в а ж н ы м и т а к ж е я в л я ю т с я п о н я т и я "экономическая
целесообраз­
ность" ( A . M . О в ч и н н и к о в ) и "техническая
рациональность"
их
и с п о л ь з о в а н и я . Эти о ч е н ь е м к и е по своему с о д е р ж а н и ю п о н я т и я
о п р е д е л я ю т тот ф а к т , что в качестве м е с т о р о ж д е н и я п о д з е м н ы х
вод не может рассматриваться л ю б о й э л е м е н т п о д з е м н о й гидро­
с ф е р ы , с о д е р ж а щ и й п о д з е м н ы е воды о п р е д е л е н н о г о состава и ка­
чества. П о д з е м н ы е воды того или и н о г о состава и качества р а с ­
пространены практически повсеместно и могут встречаться в виде
и с т о ч н и к о в , при проходке глубоких с к в а ж и н и других горных в ы ­
работок практически в любой точке планеты. Однако в одних
случаях состав и качество воды не будет соответствовать и м е ю ­
щ е й с я потребности; в других — количество воды ( в о з м о ж н ы й от-
http://geoschool.web.ru
332
Часть IV. И с п о л ь з о в а н и е и о х р а н а п о д з е м н ы х вод
б о р ) будет м е н ь ш е о б ъ е м о в , н е о б х о д и м ы х д л я п о т р е б л е н и я ; в
третьих — э к с п л у а т а ц и я п о д з е м н ы х вод э к о н о м и ч е с к и н е ц е л е с о ­
образна в связи с современными техническими возможностями
извлечения п о д з е м н ы х вод или з н а ч и т е л ь н о й у д а л е н н о с т ь ю воз­
м о ж н о г о участка э к с п л у а т а ц и и от потребителя и т.д. Во всех слу­
чаях т а к и е с к о п л е н и я п о д з е м н ы х вод по с у щ е с т в у ю щ и м требова­
ниям не р а с с м а т р и в а ю т с я к а к м е с т о р о ж д е н и я . Отсюда становится
я с н ы м , что п о н я т и е " м е с т о р о ж д е н и е п о д з е м н ы х в о д " является в
н а с т о я щ е е время в о п р е д е л е н н о й мере у с л о в н ы м . П о м и м о о б щ и х
в о п р о с о в н е о б х о д и м о у ч и т ы в а т ь , что у с л о в и я ф о р м и р о в а н и я и
т и п ы м е с т о р о ж д е н и й п о д з е м н ы х вод, з а к о н о м е р н о с т и их р а с п р о ­
с т р а н е н и я , запасы п о д з е м н ы х вод и т.д. р а з л и ч н ы в з а в и с и м о с т и
от вида п о д з е м н ы х вод п о в о з м о ж н о с т и их х о з я й с т в е н н о г о и с ­
пользования.
Глава
14
РЕСУРСЫ П О Д З Е М Н Ы Х ВОД
ХОЗЯЙСТВЕННО-ПИТЬЕВОГО НАЗНАЧЕНИЯ
назначения
В качестве п о д з е м н ы х вод хозяйственно-питьевого
могут рассматриваться п р е с н ы е (с м и н е р а л и з а ц и е й менее 1,0 г/л)
и в определенных случаях с л а б о м и н е р а л и з о в а н н ы е (до 2,0—3,0 г/л
и более) п о д з е м н ы е воды, и с п о л ь з у е м ы е для питьевого и к о м м у ­
нального водоснабжения населенных пунктов, водоснабжения
п р о м ы ш л е н н ы х п р е д п р и я т и й и с е л ь с к о х о з я й с т в е н н ы х объектов, а
также для о р о ш е н и я (питьевые, технические и оросительные воды).
Состав и качество п о д з е м н ы х вод х о з я й с т в е н н о - п и т ь е в о г о н а ­
значения, как правило, жестко определяются соответствующими
н о р м а т и в н ы м и т р е б о в а н и я м и и Г О С Т а м и (табл. 14.1). В д о п о л н е ­
ние к с о д е р ж а н и ю м и н е р а л ь н ы х в е щ е с т в Г О С Т о м на п и т ь е в ы е
воды определяются также их бактериальный состав и так называе­
мые органолептические свойства (вкус, цвет, запах), с в я з а н н ы е с
содержанием и составом органических веществ, а также м и н е р а л ь ­
ных с о е д и н е н и й . Во всех случаях безусловным являются о г р а н и ч е ­
н и я с о д е р ж а н и я (отсутствие) в п и т ь е в ы х водах х и м и ч е с к и х в е ­
ществ и с о е д и н е н и й , вредных для организма человека. Т р е б о в а н и я
к составу и качеству п о д з е м н ы х вод, используемых д л я техниче­
ского водоснабжения и о р о ш е н и я , также определяются Г О С Т а м и
и в е д о м с т в е н н ы м и н о р м а т и в а м и , которые в з а в и с и м о с т и от к о н к ­
ретного н а з н а ч е н и я ( т е х н о л о г и я п р о м ы ш л е н н о г о п р о и з в о д с т в а ,
вид сельскохозяйственной культуры и др.) могут быть р а з л и ч н ы м и .
http://geoschool.web.ru
Глава 14. Р е с у р с ы п о д з е м н ы х вод х о з я й с т в е н н о - п и т ь е в о г о назначения
333
Таблица 14.1
Н о р м а т и в ы качества питьевых вод (СанПин 2.1.4.559—96)
(с сокращением)
Показатели качества воды
группа
Микробиологические
Токсикологические
наименование
Норматив, ПДК,
не более, мг/л
Число микроорганизмов в I мл
100
Число бактерий кишечной
палочки в I мл (колииндекс)
Алюминий остаточный
Бериллий
Молибден
Мышьяк
Нитраты (по N 0 , )
Свиней
Селей
Стронций
Фтор для различных климатиче­
ских районов
Полиакриламид
Кадмий (суммарно)
Никель (суммарно)
1,2-1,5
2.0
0,001
0,1
рН
Железо
Жесткость общая
Марганец
Медь (суммарно)
Цинк (Zn )
Полифосфаты ( Р о )
Сульфаты
Хлориды
Сухой остаток
6,0-9,0
0,3 (1,0) мг/л
7 (10) мг-экв
0,1 (0,5) мг/л
1,0
5,0
3.5
500
350
1000 (1500)
Запах при 20°С и при
нагревании до 6()°С
Вкус и привкус при 2(ГС
Цветность
Мугность по стандартной шкале
2 балла
2 балла
20 градусов
1,5 мг/л
2+
Химические, влияющие
на органолептические
свойства
3
0.5
0.0002
0,25
0,05
45,0
0,03
0,001
7,0
_
4
Примечания: 1. Величины, указанные в скобках, устанавливаются по согласо­
ванию с санитарно-эпидемиологическими органами. 2. Сумма концентраций
хлоридов и сульфатов, выраженных в долях предельно допустимых концентра­
ций (ПДК). не должна быть более 1. 3. Если в воде содержится несколько токси­
ческих веществ, то сумма, выраженная в долях ПДК каждого из них, не должна
превышать 1. ПДК специфических химических веществ-полдютантов (загрязни­
телей), связанных с промышленными и сельскохозяйственными стоками, также
жестко нормируются.
http://geoschool.web.ru
Часть IV. И с п о л ь з о в а н и е и о х р а н а п о д з е м н ы х вод
334
к м / год
3
Рис. 14.1. Рост водопотребления в России и
С С С Р в X X в. (по И.А. Шикломанову): I —
водохранилища; 2 — коммунальное хозяйство;
3 — промышленность; 4 — сельское хозяйство;
5 — общее
В условиях с о в р е м е н н о й х о з я й с т ­
венной деятельности, о с о б е н н о в п р о м ы ш л е н н о развитых странах, человек
потребляет колоссальные объемы прес­
ных вод, п р и ч е м во второй п о л о в и н е
X X в. в связи с развитием п р о м ы ш ­
1900
1940
1980 Годы
л е н н о с т и , коммунального хозяйства и
сельскохозяйственного о р о ш е н и я рост
водопотребления осуществлялся ч р е з в ы ч а й н о б ы с т р ы м и т е м п а м и
(рис. 14.1).
Д а н н ы е об о б щ и х объемах р а з л и ч н ы х в и д о в п р и р о д н ы х вод
гидросферы планеты п р и в е д е н ы в гл. 2.
На т е р р и т о р и и России о б щ и й объем п р е с н ы х п о д з е м н ы х вод,
содержащихся в руслах рек и озерах, составляет о к о л о 25 тыс. к м ,
при этом 23 т ы с . к м п р е с н о й воды содержится т о л ь к о в Б а й к а л е ,
а средний годовой объем речного стока равен 4043 к м в год, что
составляет 10% м и р о в о г о стока. С у м м а р н ы е запасы пресных вод,
содержащихся в в о д о х р а н и л и щ а х , с о с т а в л я ю т 338,6 к м .
Если с р а в н и т ь п р и в е д е н н ы е ц и ф р ы с к р и в ы м и , п о к а з а н н ы м и
на рис. 14.1, создается впечатление, что с у щ е с т в у ю щ е е водопотребление в н а ш е й стране о б е с п е ч е н о ресурсами п р е с н ы х вод на
достаточно длительную перспективу. О д н а к о это впечатление о б ­
манчиво. О с н о в н а я проблема состоит в т о м , что ресурсы пресных
вод на т е р р и т о р и и Р о с с и и , т а к же к а к и в целом на з е м н о м шаре,
распространены крайне неравномерно. Приведенные выше циф­
ры показывают, н а п р и м е р , что практически 90% объема пресных
поверхностных вод озер и рек России соответствуют объему вод в
Байкале. Запасы пресных вод, существующие в виде льда, связаны
главным образом с п о к р о в н ы м и л е д н и к а м и Арктики (Новая З е м ­
ля, Северная Земля и др.).
Ежегодный годовой сток рек, составляющий 4043 к м (рис. 14.1),
является устойчивой (ежегодной) величиной ресурсов пресных
вод, и с п о л ь з у е м ы х д л я в о д о с н а б ж е н и я . О д н а к о р а с п р е д е л е н и е
этих о б ъ е м о в по т е р р и т о р и и с т р а н ы к р а й н е н е р а в н о м е р н о . Более
80% о б щ е г о годового стока проходит через р е к и б а с с е й н а С е в е р ­
ного Л е д о в и т о г о и Тихого о к е а н о в . Т а к , с р е д н я я о б е с п е ч е н н о с т ь
территории России ресурсами годового речного стока составляет
3
3
3
3
3
http://geoschool.web.ru
Глава 14. Р е с у р с ы п о д з е м н ы х вод х о з я й с т в е н н о - п и т ь е в о г о назначения
3
335
2
0,24 к м / т ы с . к м , в т о ж е время д л я т е р р и т о р и и С т а в р о п о л ь с к о г о
края — 0,09, Курганской области — 0,05, Республики К а л м ы к и я —
всего 0,014 к м / т ы с . к м .
Кроме резко неравномерного распределения по территории
использование речного стока для организации водоснабжения
л и м и т и р у е т с я т а к ж е его ч р е з в ы ч а й н о н е р а в н о м е р н ы м р а с п р е д е ­
л е н и е м в т е ч е н и е года. П о м н о г и м р е ч н ы м б а с с е й н а м д о 50—70%
и более объема годового стока проходит в относительно кратковре­
м е н н ы е (2,0—2,5 мес.) п е р и о д ы п а в о д к о в , что р е з к о у м е н ь ш а е т
в о з м о ж н о с т и и с п о л ь з о в а н и я р е ч н о г о стока д л я о р г а н и з а ц и и в о ­
д о с н а б ж е н и я в другие п е р и о д ы года. В о п р е д е л е н н о й мере, н о не
полностью, этот недостаток устраняется созданием водохранилищ,
о б щ е е ч и с л о к о т о р ы х на т е р р и т о р и и Р о с с и и п р е в ы ш а е т 2000 с
п о л е з н ы м о б ъ е м о м воды 338,6 к м .
3
2
3
Во второй п о л о в и н е X X в. на т е р р и т о р и и п р о м ы ш л е н н о раз­
витых стран и р а й о н о в в о з м о ж н о с т и и с п о л ь з о в а н и я поверхност­
ных вод (реки, озера), о с о б е н н о д л я о р г а н и з а ц и и к о м м у н а л ь н о г о
(питьевого) водоснабжения, резко сокращаются в связи с про­
г р е с с и р у ю щ и м з а г р я з н е н и е м п о в е р х н о с т н ы х вод. Н а и б о л е е и н ­
т е н с и в н о ( к а т а с т р о ф и ч е с к и ) п р о и с х о д и т з а г р я з н е н и е малых р е к и
озер, р а с п о л о ж е н н ы х на территории крупных городских агломера­
ц и й , вблизи к р у п н ы х п р о м ы ш л е н н ы х п р е д п р и я т и й , горнорудных
и г а з о н е ф т я н ы х к о м п л е к с о в , на участках сброса д р е н а ж н ы х вод с
о р о ш а е м ы х земель и др. В связи с этим процессы загрязнения н е ­
и з б е ж н о развиваются и в к р у п н ы х речных системах с п л о щ а д ь ю
водосборов в десятки и сотни тысяч квадратных километров (круп­
ные р е к и , озера, в о д о х р а н и л и щ а ) . Н е м е д л е н н о е у с т р а н е н и е всех
и с т о ч н и к о в загрязнения поверхностных вод в пределах столь круп­
ных т е р р и т о р и й является п р а к т и ч е с к и н е в ы п о л н и м ы м . С п о с о б ы
о ч и с т к и в о д ы п е р е д ее у п о т р е б л е н и е м д о р о г о с т о я щ и и в р я д е
случаев недостаточно э ф ф е к т и в н ы .
П р и ч и н ы , р а с с м о т р е н н ы е в ы ш е , о п р е д е л я ю т все более возрас­
т а ю щ у ю роль ресурсов п р е с н ы х п о д з е м н ы х вод в о р г а н и з а ц и и х о ­
з я й с т в е н н о - п и т ь е в о г о в о д о с н а б ж е н и я в связи с их о т н о с и т е л ь н о
более р а в н о м е р н ы м р а с п р е д е л е н и е м п о т е р р и т о р и и , менее в ы р а ­
ж е н н о й внутригодовой изменчивостью (в сравнении с речным сто­
ком) и, главное, в связи с их относительно лучшей з а щ и щ е н н о с т ь ю
от р а з л и ч н ы х видов з а г р я з н е н и я .
О б щ и е естественные ресурсы подземных вод территории России
о ц е н и в а ю т с я п р и м е р н о в 787,5 к м в год, р а з в е д а н н ы е з а п а с ы —
29 к м в год, з а п а с ы , п о д г о т о в л е н н ы е к о с в о е н и ю , — более 20 к м
в год ( К о н ц е п ц и я государственной п о л и т и к и у с т о й ч и в о г о водо3
3
3
http://geoschool.web.ru
Часть IV. И с п о л ь з о в а н и е и о х р а н а п о д з е м н ы х вод
336
п о л ь з о в а н и я в Р о с с и й с к о й Ф е д е р а ц и и , 1998). О д н а к о р е с у р с ы
п о д з е м н ы х вод, в том числе п р о ш е д ш и е государственную э к с п е р ­
тизу, р а с п р о с т р а н е н ы п о т е р р и т о р и и н е р а в н о м е р н о (табл. 14.2).
Таблица 14.2
Р е с у р с ы п о д з е м н ы х вод по федеральным о к р у г а м
Степень изученности
прогнозных ресурсов
0,77
4521,0
0,04
Центральный
652,8
67,9
1,26
26123,9
0,38
Приволжский
1037,8
97,1
1.08
15902,6
0,16
Северо-Кавказский
589,2
38,9
0,76
15445,6
0.40
Уральский
1788,9
175,4
1,14
5521,4
0,03
3
Эксплуатационные
запасы на 01.01.2002,
тыс. м /сут
111,8
2
Модуль прогнозных
ресурсов, л/с • км
1678,2
Федеральный
округ
3
Прогнозные ресурсы,
млн м /сут
Северо-Западный
2
Площадь, тыс. км
Российской Федерации (Язвин. 2003)
Сибирский
5114,8
357,7
0,81
14896,4
0,04
Дальневосточный
6215,9
249,0
0.46
6967,7
0,03
Россия в целом
17077,5
1098
0,74
89378,8
0,08
Направление, связанное с изучением закономерностей ф о р м и ­
рования и р а з м е щ е н и я ресурсов пресных подземных вод и разра­
боткой методических приемов их количественной о ц е н к и , является
о с н о в н ы м направлением р о с с и й с к о й научной и практической гид­
рогеологии. Т е о р е т и ч е с к и е и методические о с н о в ы этого н а п р а в ­
л е н и я р а з р а б о т а н ы в 40—70-х гг. X X в. в трудах р о с с и й с к и х гид­
рогеологов М . Е . А л ь т о в с к о г о , Н . Н . Б и н д е м а н а , Ф . М . Бочевера,
И.В. Гармонова, Б . И . Куделина, Ф.А. М а к а р е н к о , Н.А. П л о т н и ­
кова, Н . И . Плотникова, Ф . П . Саваренского, Л . С . Я з в и н а и других
авторов.
При оценке и характеристике количеств подземных вод в совре­
менной советской гидрогеологической литературе используются
т е р м и н ы " з а п а с ы " и " р е с у р с ы " . Иногда о н и р а с с м а т р и в а ю т с я к а к
с и н о н и м ы , о д н а к о это неверно. Т е р м и н " р е с у р с ы " подземных вод
был введен в 30-х гг. Ф . П . С а в а р е н с к и м с п е ц и а л ь н о , чтобы п о д ­
черкнуть у н и к а л ь н ы е свойства полезного ископаемого " п о д з е м н ы е
http://geoschool.web.ru
Глава 14. Р е с у р с ы п о д з е м н ы х вод х о з я й с т в е н н о - п и т ь е в о г о назначения
337
в о д ы " — их в о з о б н о в л я е м о с т ь . В соответствии с п р е д с т а в л е н и я м и
Ф . П . С а в а р е н с к о г о (1934), Б . И . Куделина (I960) и других ученых,
под т е р м и н о м " з а п а с ы " следует п о н и м а т ь количество воды (объем,
массу), с о д е р ж а щ е е с я в р а с с м а т р и в а е м о м э л е м е н т е г и д р о с ф е р ы
( в о д о н о с н ы й горизонт, участок горизонта, м е с т о р о ж д е н и е и т.д.);
под т е р м и н о м " р е с у р с ы " — величину их возобновления
(восполне­
ния) в естественных условиях или в условиях э к с п л у а т а ц и и за о п ­
р е д е л е н н ы й период времени (расход).
В соответствии с с у щ е с т в у ю щ и м и представлениями ( Н . Н . Б и н деман, Б . И . Куделин, Л . С . Язвин и др.) запасы и ресурсы подзем­
ных вод подразделяются на к о л и ч е с т в е н н ы е категории (рис. 14.2).
Естественные
ресурсы
Естественные
запасы
Емкостные
Привлекаемые
ресурсы
Упругие
Искусственные
запасы
Искусственные
ресурсы
Эксплуатационные
запасы
Эксплуатационные
ресурсы
Рис. 14.2. Схема классификации "запасов" и "ресурсов" подземных вод
Е с т е с т в е н н ы е з а п а с ы представляют собой массу (объем)
п о д з е м н ы х вод, с о д е р ж а щ и х с я в р а с с м а т р и в а е м о м элементе п о д ­
земной гидросферы (пласте, участке пласта, системе пластов и др.).
В с в о ю очередь о н и подразделяются на так называемые емкостные
запасы, определяемые тем количеством воды, которое извлекается
при о с у ш е н и и пласта, и упругие з а п а с ы , к о т о р ы е ф о р м и р у ю т с я
при с н и ж е н и и п ь е з о м е т р и ч е с к о г о у р о в н я (пластового д а в л е н и я )
н а п о р н ы х п о д з е м н ы х вод за счет р а с ш и р е н и я воды и у п л о т н е н и я
м и н е р а л ь н о г о скелета пласта (см. гл. 6).
Е с т е с т в е н н ы е р е с у р с ы (естественно-антропогенные в усло­
виях влияния хозяйственной деятельности), согласно Ф . П . Саваренскому, Б.И. Куделину и другим, представляют собой обеспеченный
питанием приток (восполнение) подземных вод рассматриваемого
элемента, р а в н ы й количеству воды, п о с т у п а ю щ е м у в него в е д и -
http://geoschool.web.ru
Часть IV. И с п о л ь з о в а н и е и о х р а н а п о д з е м н ы х вод
338
ницу времени (расход) в естественных условиях за счет и н ф и л ь т ­
р а ц и и а т м о с ф е р н ы х о с а д к о в , ф и л ь т р а ц и и из рек и озер, перете­
к а н и я из в ы ш е - и н и ж е л е ж а щ и х г о р и з о н т о в , п р и т о к а со с м е ж н ы х
участков. Т а к и м о б р а з о м , о н и могут быть о п р е д е л е н ы как сумма
приходных э л е м е н т о в водного баланса (см. гл. 4) в о д о н о с н о г о го­
ризонта ( м е с т о р о ж д е н и я и др.) в естественных условиях. Н а и б о ­
лее строго е с т е с т в е н н ы е р е с у р с ы могут б ы т ь о х а р а к т е р и з о в а н ы
средней за многолетний
период (норма) годовой величиной
восполне­
ния ( в о з о б н о в л е н и я ) запасов подземных вод, которая м о ж е т б ы т ь
в ы р а ж е н а р а с х о д о м ( м / г о д ) с р е д н е г о д о в ы м з н а ч е н и е м модуля
в о с п о л н е н и я ( л / с • к м ) и др. В а ж н ы м является то, что среднемноголетний характер этих в е л и ч и н позволяет выражать их в з н а ч е ­
ниях различной обеспеченности (50, 95% и др.).
3
2
Привлекаемые
ресурсы
определяются увеличением
п и т а н и я п о д з е м н ы х вод р а с с м а т р и в а е м о г о э л е м е н т а в у с л о в и я х
э к с п л у а т а ц и и за счет в о з н и к н о в е н и я или у с и л е н и я ф и л ь т р а ц и и
из рек и озер, п е р е т е к а н и е м из с м е ж н ы х горизонтов и др.
Особыми категориями, характерными только для полезного
ископаемого "подземная вода", являются
искусственные
з а п а с ы и р е с у р с ы . Под и с к у с с т в е н н ы м и з а п а с а м и п о н и м а ­
ется масса (объем) п о д з е м н ы х вод в пласте, с ф о р м и р о в а в ш а я с я за
счет и с к у с с т в е н н о г о о б в о д н е н и я п р о н и ц а е м ы х ( н о н е н а с ы щ е н ­
ных) горных пород, так н а з ы в а е м о е м а г а з и н и р о в а н и е п о д з е м н ы х
вод. И с к у с с т в е н н ы е р е с у р с ы о п р е д е л я ю т с я к о л и ч е с т в о м в о д ы
( в о с п о л н е н и е м ) , п о с т у п а ю щ и м в в о д о н о с н ы й горизонт (месторож­
д е н и е и др.) в результате п р о в е д е н и я специальных м е р о п р и я т и й по
и с к у с с т в е н н о м у п и т а н и ю п о д з е м н ы х вод.
Во многих случаях ф о р м и р о в а н и е и с к у с с т в е н н ы х з а п а с о в и р е ­
сурсов п о д з е м н ы х вод, с о д н о й с т о р о н ы , с в я з а н о с п р о в е д е н и е м
с п е ц и а л ь н ы х т е х н и ч е с к и х м е р о п р и я т и й ( м а г а з и н и р о в а н и е , искус­
ственное п и т а н и е п о д з е м н ы х вод), а с другой — п р о я в л я е т с я к а к
побочный э ф ф е к т в связи с проведением и н ж е н е р н о - х о з я й с т в е н ­
ных м е р о п р и я т и й , не н а п р а в л е н н ы х с п е ц и а л ь н о на увеличение за­
пасов подземных вод (создание в о д о х р а н и л и щ , о р о ш е н и е и др.).
П о с к о л ь к у в с о в р е м е н н ы х условиях ф о р м и р о в а н и е д о п о л н и т е л ь ­
ных о б ъ е м о в воды (подъем у р о в н я ) или у в е л и ч е н и е п и т а н и я п о д ­
з е м н ы х вод м о ж е т б ы т ь с в я з а н о не т о л ь к о с г и д р о т е х н и ч е с к и м
строительством и о р о ш е н и е м , но и с другими видами х о з я й с т в е н ­
ной деятельности ( к р у п н о е строительство, вырубка леса, р а с п а х и ­
в а н и е ц е л и н н ы х з е м е л ь и т.д.), т е р м и н о л о г и ч е с к и о п р е д е л е н и е
искусственных запасов и ресурсов является недостаточно строгим.
Вероятно, более п р а в и л ь н о в качестве с о б с т в е н н о
искусственных
http://geoschool.web.ru
Глава 14. Р е с у р с ы п о д з е м н ы х вод х о з я й с т в е н н о - п и т ь е в о г о назначения
339
запасов и ресурсов п о д з е м н ы х вод рассматривать т о л ь к о их к о л и ­
чества, ф о р м и р у ю щ и е с я в результате с п е ц и а л ь н ы х т е х н и ч е с к и х
м е р о п р и я т и й по м а г а з и н и р о в а н и ю и с о з д а н и ю и с к у с с т в е н н о г о
п и т а н и я п о д з е м н ы х вод. Во всех других случаях правильнее и с ­
пользовать т е р м и н "естественно-антропогенные"
запасы и ресур­
сы п о д з е м н ы х вод, т.е. ф о р м и р у ю щ и е с я в естественных условиях,
в той или и н о й мере н а р у ш е н н ы х о п р е д е л е н н ы м и в и д а м и х о ­
з я й с т в е н н о й деятельности человека.
Термины "эксплуатационные запасы" и "эксплуатационные
р е с у р с ы " часто р а с с м а т р и в а ю т с я как с и н о н и м ы .
Эксплуатацион­
ные запасы — количество воды (расход, м / с у т ) , которое
может
быть получено на месторождении с помощью рационального в техни­
ко-экономическом
отношении водозаборного сооружения при заданном
режиме эксп.пуатации и при качестве воды, удовлетворяющем
требо­
ваниям целевого использования в течение расчетного срока водопотребления при условии отсутствия экологически негативных
последствий
эксплуатации
(недопустимый ущерб речному стоку, переосушение
л а н д ш а ф т о в и др.).
Для водозаборов на пресные воды, используемые для организа­
ции х о з я й с т в е н н о - п и т ь е в о г о в о д о с н а б ж е н и я н а с е л е н н ы х пунктов
и н а р о д н о - х о з я й с т в е н н ы х о б ъ е к т о в , р а с ч е т н ы й срок водопотребл е н и я с о с т а в л я е т о б ы ч н о 25—50 лет. В о т д е л ь н ы х случаях для
особо в а ж н ы х о б ъ е к т о в этот с р о к может п р и н и м а т ь с я н е о г р а н и ­
ченным. Для временных водозаборов сроки устанавливаются в
соответствии с проектным заданием. О с н о в н ы м требованием к
режиму э к с п л у а т а ц и и , при условии с о х р а н е н и я расчетной п р о и з ­
в о д и т е л ь н о с т и в о д о з а б о р а и качества о т б и р а е м ы х вод, я в л я е т с я
о г р а н и ч е н и е в е л и ч и н ы п о н и ж е н и я у р о в н я п о д з е м н ы х вод при
эксплуатации значением так называемого допустимого (расчетного)
понижения уровня. П р и э к с п л у а т а ц и и б е з н а п о р н ы х в о д о н о с н ы х
г о р и з о н т о в со с в о б о д н о й п о в е р х н о с т ь ю в е л и ч и н а д о п у с т и м о г о
при э к с п л у а т а ц и и п о н и ж е н и я уровня, как п р а в и л о , п р и н и м а е т с я
не более 0,7 м о щ н о с т и в о д о н о с н о г о горизонта. П р и э к с п л у а т а ц и и
напорных водоносных горизонтов величина допустимого п о н и ж е ­
ния принимается о б ы ч н о равной высоте столба воды над кровлей
в о д о н о с н о г о пласта с учетом в о з м о ж н о с т е й технических средств,
которые будут использоваться при э к с п л у а т а ц и и . Качество воды в
течение всего с р о к а э к с п л у а т а ц и и д о л ж н о соответствовать ГОСТу
или п р и н я т о м у нормативу.
Величина э к с п л у а т а ц и о н н ы х запасов подземных вод месторож­
д е н и я представляет собой производительность водозабора (расход)
м /сут. Поэтому о н а строго не соответствует рассмотренному выше
понятию " з а п а с ы " (правильнее — эксплуатационные ресурсы).
3
3
http://geoschool.web.ru
Часть IV. И с п о л ь з о в а н и е и о х р а н а п о д з е м н ы х вод
340
О д н а к о в силу с у щ е с т в у ю щ и х т р а д и ц и й и по а н а л о г и и с другими
видами п о л е з н ы х и с к о п а е м ы х п р и х а р а к т е р и с т и к е э к с п л у а т а ц и ­
о н н ы х в о з м о ж н о с т е й м е с т о р о ж д е н и й п о д з е м н ы х вод, их о ц е н к е и
утверждении в России используется термин "эксплуатационные за­
пасы". Термин "эксплуатационные ресурсы" используется главным
о б р а з о м п р и о ц е н к е и х а р а к т е р и с т и к е прогнозных
региональных
запасов п о д з е м н ы х вод. Т е м с а м ы м п о н я т и е " э к с п л у а т а ц и о н н ы е
р е с у р с ы " п о д з е м н ы х вод я в л я е т с я к а к б ы л и ш н и м , что в н о с и т
даже некоторую терминологическую путаницу. В то же время,
если вернуться к строгому о п р е д е л е н и ю п о н я т и й " з а п а с ы " и " р е ­
с у р с ы " п о д з е м н ы х вод, д а н н о м у Ф . П . С а в а р е н с к и м (1934), н а и ­
более ц е л е с о о б р а з н о под т е р м и н о м " э к с п л у а т а ц и о н н ы е р е с у р с ы "
п о н и м а т ь величину возобновления
( в о с п о л н е н и я , п и т а н и я ) запасов
подземных вод месторождения
в условиях эксплуатации.
Тем самым
э к с п л у а т а ц и о н н ы е ресурсы п о д з е м н ы х вод будут характеризовать
сумму п р и х о д н ы х статей в о д н о г о б а л а н с а м е с т о р о ж д е н и я ( с у м ­
марно естественные, привлекаемые и искусственные ресурсы) в ус­
ловиях его эксплуатации. Тогда каждое месторождение подземных
вод может быть охарактеризовано двумя величинами: эксплуатаци­
о н н ы м и запасами, представляющими собой производительность
к о н к р е т н о г о водозабора в расчете на весь срок э к с п л у а т а ц и и , и
эксплуатационными ресурсами, характеризующими (суммарно)
в о с п о л н е н и е з а п а с о в п о д з е м н ы х вод м е с т о р о ж д е н и я в условиях
его э к с п л у а т а ц и и ( м / с у т , м / г о д и др.).
3
3
Н е с о м н е н н о , что при р е ш е н и и в о п р о с о в и с п о л ь з о в а н и я п о д ­
земных вод для к о н к р е т н ы х нужд о с н о в н о е значение имеет о ц е н к а
э к с п л у а т а ц и о н н ы х запасов п о д з е м н ы х вод. Т о л ь к о величина э к с ­
плуатационных запасов позволяет судить о возможности и целесо­
образности и с п о л ь з о в а н и я п о д з е м н ы х вод (Гидрогеология С С С Р .
Т. 3. 1971). О д н а к о н е в е р н о считать, что о ц е н к а других категорий
запасов и ресурсов представляет т о л ь к о " о п р е д е л е н н ы й и н т е р е с "
для о ц е н к и отдельных и с т о ч н и к о в ф о р м и р о в а н и я э к с п л у а т а ц и о н ­
ных запасов подземных вод и для количественной характеристики
в о д о н о с н ы х г о р и з о н т о в и структур в естественных условиях. П р и
с о в р е м е н н ы х масштабах э к с п л у а т а ц и и п о д з е м н ы х вод о ц е н к а ба­
лансовой структуры эксплуатационных запасов месторождения
является н е о б х о д и м о й : в о - п е р в ы х , для п р а в и л ь н о г о о б о с н о в а н и я
м е т о д и к и разведки м е с т о р о ж д е н и я и с о с т а в л е н и я ф и л ь т р а ц и о н ­
ных расчетных схем, во-вторых, для п р о г н о з а и з м е н е н и я качества
подземных вод при эксплуатации, поскольку различные источники
в о с п о л н е н и я з а п а с о в могут характеризоваться р а з л и ч н ы м качест­
в е н н ы м с о с т а в о м , в-третьих, в с в я з и с н е о б х о д и м о с т ь ю о ц е н к и
http://geoschool.web.ru
Глава 14. Р е с у р с ы п о д з е м н ы х вод х о з я й с т в е н н о - п и т ь е в о г о назначения
341
э к о л о г и ч е с к и х последствий э к с п л у а т а ц и и м е с т о р о ж д е н и я п о д з е м ­
ных вод за счет ее в л и я н и я на условия ф о р м и р о в а н и я и структуру
водного баланса р а й о н а .
В о б щ е м виде э к с п л у а т а ц и о н н ы е запасы м е с т о р о ж д е н и я п о д ­
з е м н ы х вод с в я з а н ы с д р у г и м и к а т е г о р и я м и з а п а с о в и ресурсов
следующим балансовым уравнением:
Q
Q
=
а
+
a
j
Q
e
+
-> ' ~At
1 °
° " '
" '
где Q — э к с п л у а т а ц и о н н ы е запасы п о д з е м н ы х вод, Q — естест­
в е н н ы е запасы ( е м к о с т н ы е или упругие), Q — естественные р е ­
сурсы, Q — привлекаемые ресурсы, Q — искусственные ресурсы,
0С| j — так н а з ы в а е м ы е к о э ф ф и ц и е н т ы и с п о л ь з о в а н и я , At — срок
эксплуатации.
А н а л и з п р и в е д е н н о г о б а л а н с о в о г о у р а в н е н и я п о к а з ы в а е т , что
при отсутствии в о з о б н о в л е н и я ((2 , Q , QJ э к с п л у а т а ц и о н н ы е за­
пасы п о д з е м н ы х вод м е с т о р о ж д е н и я всегда я в л я ю т с я к о н е ч н ы м и ,
так как величина, характеризующая естественные запасы
(Q),
стремится к 0 при
И наоборот, при их н а л и ч и и , в соответ­
ствии с о п р е д е л е н и е м Ф . П . С а в а р е н с к о г о , запасы п о д з е м н ы х вод
я в л я ю т с я н е и с ч е р п а е м ы м и в пределах их в о з о б н о в л е н и я . К о э ф ­
ф и ц и е н т ы и с п о л ь з о в а н и я ( а , , а , а , а ) я в л я ю т с я весьма с п о р ­
н ы м и и трудно о п р е д е л я е м ы м и в е л и ч и н а м и . В связи с этим более
удобным является балансовое ("дельта-баланс") уравнение экс­
п л у а т а ц и о н н о г о водоотбора ( Р . С . Ш т е н г е л о в ) :
а
п
+
а
4
(
1
4
}
i
Q
u
H
С
2
Q
3
= ^
u
3
4
+ AQ AQ ,
p+
n
(14.2)
где А V — и с п о л ь з у е м а я в е л и ч и н а е с т е с т в е н н ы х з а п а с о в , AQ —
изменение расхода д р е н и р о в а н и я потока (суммарно по всем видам
е с т е с т в е н н о й разгрузки) в области в л и я н и я в о д о о т б о р а , AQ —
и з м е н е н и е в е л и ч и н ы п и т а н и я п о д з е м н ы х вод ( с у м м а р н о по всем
видам в о с п о л н е н и я ) в т о й же области.
П р и в е д е н н о е у р а в н е н и е (14.2) н а г л я д н о показывает, что вели­
чина эксплуатационного водоотбора должна компенсироваться
р а в н ы м и по количеству и п р о т и в о п о л о ж н ы м и по знаку и з м е н е ­
н и я м и ( с у м м а р н о ) других э л е м е н т о в баланса п о д з е м н ы х вод м е с ­
торождения.
Соотношение различных категорий "запасов" и "ресурсов"
п о д з е м н ы х вод и их р о л ь в ф о р м и р о в а н и и о с н о в н о й категории
" э к с п л у а т а ц и о н н ы е з а п а с ы " характеризуются в н а с т о я щ е е время
п о н я т и е м балансовая структура ( и с т о ч н и к и ф о р м и р о в а н и я ) э к с ­
п л у а т а ц и о н н ы х запасов п о д з е м н ы х вод ( Ш т е н г е л о в , 1988; и др.).
p
n
http://geoschool.web.ru
342
Часть IV. И с п о л ь з о в а н и е и о х р а н а п о д з е м н ы х вод
Вид б а л а н с о в о й структуры запасов определяется главным образом
т и п о м месторождения подземных вод и условиями связи эксплуа­
тируемого водоносного горизонта с участками и н ф и л ь т р а ц и о н н о г о
п и т а н и я , п о в е р х н о с т н ы м и водами и с м е ж н ы м и ( н е п о с р е д с т в е н н о
неэксплуатируемыми) водоносными горизонтами. Кроме того,
д л я м н о г и х т и п о в м е с т о р о ж д е н и й п о д з е м н ы х вод б а л а н с о в а я
структура э к с п л у а т а ц и о н н ы х з а п а с о в ( в о д о о т б о р а ) с у щ е с т в е н н о
и з м е н я е т с я в п р о ц е с с е э к с п л у а т а ц и и , что о п р е д е л я е т з н а ч и т е л ь ­
ные с л о ж н о с т и ее прогноза на весь с р о к работы водозаборов.
Основные типы месторождений
пресных подземных вод. В ка­
честве о с н о в н ы х п р е д п о с ы л о к с у щ е с т в о в а н и я м е с т о р о ж д е н и я
п о д з е м н ы х вод х о з я й с т в е н н о - п и т ь е в о г о н а з н а ч е н и я о б ы ч н о р а с ­
сматривается наличие:
1) п р е с н ы х или с л а б о с о л о н о в а т ы х п о д з е м н ы х вод, с о о т в е т ­
ствующих по качеству Г О С Т а м на питьевые воды или к о н ­
к р е т н ы м н о р м а т и в а м для вод х о з я й с т в е н н о г о н а з н а ч е н и я ;
2) в о д о н о с н ы х ( в о д о в м е щ а ю щ и х ) п о р о д с о т н о с и т е л ь н о ( п о
с р а в н е н и ю с с о с е д н и м и участками) в ы с о к и м и з н а ч е н и я м и
е м к о с т н ы х и ф и л ь т р а ц и о н н ы х с в о й с т в , что о б е с п е ч и в а е т
формирование определенного объема запасов подземных
вод и в о з м о ж н о с т и их отбора р а ц и о н а л ь н ы м и в т е х н и к о экономическом отношении водозаборными сооружениями
(разного типа) в количествах, д о с т а т о ч н ы х для удовлетворе­
ния существующей потребности;
3) б л а г о п р и я т н ы х условий ф о р м и р о в а н и я и н ф и л ь т р а ц и о н н о г о
п и т а н и я п о д з е м н ы х вод п р о д у к т и в н о г о в о д о н о с н о г о г о р и ­
зонта, в о з м о ж н о г о п р и т о к а из с м е ж н ы х пластов или участ­
ков т е р р и т о р и й , ф и л ь т р а ц и и из р е к и других ф а к т о р о в , что
о п р е д е л я е т б л а г о п р и я т н ы е условия ф о р м и р о в а н и я в о с п о л ­
н е н и я з а п а с о в в е с т е с т в е н н ы х условиях и в условиях э к с ­
плуатации;
4) потребителя (заявленной потребности) на расстоянии, обес­
печивающем экономически рациональную эксплуатацию
месторождения.
Разработка " У ч е н и я о т и п а х м е с т о р о ж д е н и й п о д з е м н ы х в о д "
в ы п о л н е н а в е д у щ и м и р о с с и й с к и м и г и д р о г е о л о г а м и Б.В. Б о р е в с к и м , Н . И . П л о т н и к о в ы м , Л . С . Я з в и н ы м и др. П р и н е к о т о р ы х
различиях в с у щ е с т в у ю щ и х ф о р м у л и р о в к а х в качестве о с н о в н ы х
т и п о в м е с т о р о ж д е н и й п о д з е м н ы х вод х о з я й с т в е н н о - п и т ь е в о г о н а ­
з н а ч е н и я в н а с т о я щ е е время о б ы ч н о р а с с м а т р и в а ю т с я м е с т о р о ж ­
д е н и я : 1) п о д з е м н ы х вод в р е ч н ы х д о л и н а х ; 2) а р т е з и а н с к и х б а с -
http://geoschool.web.ru
Глава 14. Р е с у р с ы п о д з е м н ы х вод х о з я й с т в е н н о - п и т ь е в о г о назначения
343
с е й н о в п л а т ф о р м е н н о г о т и п а ; 3) а р т е з и а н с к и х б а с с е й н о в м е ж ­
горных впадин и к о н у с о в выноса; 4) о г р а н и ч е н н ы х по п л о щ а д и
структур и м а с с и в о в т р е щ и н о в а т ы х или з а к а р с т о в а н н ы х пород и
п о т о к о в т р е щ и н н о - ж и л ь н ы х вод зон т е к т о н и ч е с к и х н а р у ш е н и й ;
5) грунтовых вод п е с ч а н ы х м а с с и в о в ; 6) м е ж м о р е н н ы х о т л о ж е ­
ний; 7) п о д з е м н ы х вод области р а с п р о с т р а н е н и я м н о г о л е т н е м е р з ­
лых пород.
Месторождения подземных вод в речных долинах могут б ы т ь с в я ­
заны как с р ы х л ы м и а л л ю в и а л ь н ы м и о т л о ж е н и я м и , т а к и с к о ­
р е н н ы м и п о р о д а м и р а з н о г о состава, н е п о с р е д с т в е н н о в с к р ы в а е ­
м ы м и руслом реки (рис. 14.3). Во втором случае п о д з е м н ы е воды
месторождения (продуктивный горизонт) могут быть и з о л и р о в а н ы
от русла реки и верхнего а л л ю в и а л ь н о г о горизонта о т н о с и т е л ь н о
в ы д е р ж а н н ы м и с л о я м и с л а б о п р о н и ц а е м ы х пород. В качестве с а ­
мостоятельного подтипа м е с т о р о ж д е н и й о б ы ч н о р а с с м а т р и в а ю т с я
м е с т о р о ж д е н и я д р е в н и х п о г р е б е н н ы х д о л и н , не с в я з а н н ы е н е п о с ­
редственно с с о в р е м е н н о й г и д р о г р а ф и ч е с к о й сетью.
В крупных речных долинах с п о с т о я н н ы м речным стоком, рас­
ходы которого даже в маловодные периоды значительно п р е в ы ш а ­
ют п р о и з в о д и т е л ь н о с т ь водоотбора, структура э к с п л у а т а ц и о н н ы х
запасов месторождения формируется главным образом за счет п р и ­
влечения поверхностного стока и "перехвата" ( и н в е р с и и ) естест­
в е н н о й разгрузки п о д з е м н ы х вод ( п р и в л е к а е м ы е и е с т е с т в е н н ы е
ресурсы). В связи с этим при поисках таких месторождений важ­
н е й ш и м и задачами являются выявление участков с м и н и м а л ь н ы м и
з н а ч е н и я м и русловых с о п р о т и в л е н и й или участков со з н а ч и т е л ь ­
н ы м и расходами русловой или р о д н и к о в о й разгрузки п о д з е м н ы х
вод в естественных условиях (рис. 14.3).
В других случаях (реки с п е р и о д и ч е с к и м с т о к о м , м а л ы м и р а с ­
ходами и др.) в м а л о в о д н ы е годы или в м е ж е н ь ф о р м и р о в а н и е
э к с п л у а т а ц и о н н ы х запасов месторождений происходит в о с н о в н о м
за счет сработки естественных з а п а с о в ( о с у ш е н и е а л л ю в и а л ь н о г о
горизонта), а в о с п о л н е н и е запасов осуществляется в м н о г о в о д н ы е
годы и периоды речных паводков.
В зависимости от фильтрационных свойств и мощности во­
д о в м е щ а ю щ и х пород, условий связи с руслами рек, удельных
( м / с у т • км) в е л и ч и н разгрузки естественного потока и н е к о т о р ы х
других ф а к т о р о в э к с п л у а т а ц и о н н ы е запасы м е с т о р о ж д е н и й этого
типа изменяются в ш и р о к и х пределах, достигая 100—150 тыс. м / с у т
и более (Гидрогеология С С С Р . С в о д . т. Вып. 3. 1977).
Месторождения
артезианских
бассейнов платформенного
типа
всегда с в я з а н ы с в о д о н о с н ы м и г о р и з о н т а м и н а п о р н ы х м е ж п л а с 3
3
http://geoschool.web.ru
Часть IV. И с п о л ь з о в а н и е и о х р а н а п о д з е м н ы х вод
344
О
f
Рис. 14.3. Месторождение подземных вод в речной долине: а — гидрогеологи­
ческий разрез месторождения: / — рыхлые аллювиальные отложения; 2 — ко­
ренные породы; .? — уровень грунтовых вод в естественных условиях; 4 — то
же при эксплуатации: 5 — источники; 6 — естественный поток подземных вод,
"инверсируемый" водозаборным сооружением; 7 — приток из реки; 8 — раз­
грузка грунтовых вод в реку, сохраняющаяся и при эксплуатации водозабора;
9 — водозаборные скважины; б — типовая структура эксплуатационного водо­
забора: / — естественные запасы; 2 — инверсия естественной разгрузки (естест­
венные ресурсы); 3 — привлекаемые ресурсы
товых п о д з е м н ы х вод (см. гл. 10). В о д о в м е щ а ю щ и м и я в л я ю т с я
рыхлые или л и т и ф и ц и р о в а н н ы е т р е щ и н о в а т ы е , а также з а к а р с т о ­
в а н н ы е о с а д о ч н ы е п о р о д ы (рис. 14.4). Структура э к с п л у а т а ц и о н ­
ных запасов в з а в и с и м о с т и от условий залегания п р о д у к т и в н о г о
горизонта и с т р о е н и я г и д р о г е о л о г и ч е с к о г о разреза о п р е д е л я е т с я
главным образом упругими з а п а с а м и межпластовых вод и перете­
к а н и е м ( п р и в л е к а е м ы е р е с у р с ы ) из с м е ж н ы х , п р е и м у щ е с т в е н н о
http://geoschool.web.ru
Глава 14. Р е с у р с ы п о д з е м н ы х вод х о з я й с т в е н н о - п и т ь е в о г о назначения
345
в ы ш е л е ж а щ и х , в о д о н о с н ы х г о р и з о н т о в ( р и с . 14.4, б). Н а л и ч и е
в условиях э к с п л у а т а ц и и з н а ч и т е л ь н о г о п р и т о к а из н и ж е л е ж а щ и х
водоносных горизонтов нередко приводит к нежелательным из­
м е н е н и я м м и н е р а л и з а ц и и и х и м и ч е с к о г о состава п о д з е м н ы х вод
п р о д у к т и в н о г о горизонта. В пределах участков и н т е н с и в н о й е с ­
т е с т в е н н о й р а з г р у з к и н а п о р н ы х вод ( р е ч н ы е д о л и н ы , г л у б о к и е
о з е р н ы е к о т л о в и н ы и др.) з н а ч и т е л ь н а я часть э к с п л у а т а ц и о н н о г о
водоотбора м о ж е т ф о р м и р о в а т ь с я за счет и н в е р с и и расхода е с ­
т е с т в е н н о г о потока (естественные ресурсы).
а
О
1
2
3
4
5
6
7
8
9
?, тыс. сут
Рис. 14.4. Месторождение подземных вод в артезианском бассейне платформен­
ного типа (по Р.С. Штенгелову): а — гидрогеологический разрез месторождения:
/ — аллювиальные отложения; 2 — диатомиты (диатомовые глины); 3 — тре­
щиноватые опоки (продуктивный горизонт); 4 — глины: 5 — мергели; 6 — пес­
чаники, алевролиты: б — прогнозная балансовая структура эксплуатационного
волоотбора: / — естественные (упругие) запасы нижнеэоценового горизонта;
2 — естественные запасы аллювиального горизонта; 3 — приток из реки через
аллювиальный водоносный горизонт (привлекаемые ресурсы)
http://geoschool.web.ru
Часть IV. И с п о л ь з о в а н и е и о х р а н а п о д з е м н ы х вод
346
В з а в и с и м о с т и от ф и л ь т р а ц и о н н ы х свойств о т л о ж е н и й и усло­
вий ф о р м и р о в а н и я ресурсов, п р и в л е к а е м ы х из в ы ш е л е ж а щ и х го­
ризонтов, эксплуатационные запасы месторождений этого типа
достигают 10—50 тыс. м /сут, для особо крупных месторождений —
100 тыс. м / с у т и более (Гидрогеология С С С Р . Свод. т. Вып. 3. 1977).
Н а и б о л е е к р у п н ы е м е с т о р о ж д е н и я п р е с н ы х п о д з е м н ы х вод в
п л а т ф о р м е н н ы х бассейнах с в я з а н ы , к а к п р а в и л о , с р а й о н а м и , где
верхняя часть гидрогеологического разреза представлена и н т е н с и в ­
но-трещиноватыми и закарстованными карбонатными породами
различного возраста ( М о с к о в с к и й , В о л г о - К а м с к и й , С е в е р о - Д в и н с к и й б а с с е й н ы и др.).
Месторождения
подземных вод артезианских
бассейнов
межгор­
ных впадин и конусов выноса с в я з а н ы о б ы ч н о с р ы х л ы м и , слабо
о т с о р т и р о в а н н ы м и а л л ю в и а л ь н о - п р о л ю в и а л ь н ы м и т о л щ а м и чет­
вертичного и н е о г е н - ч е т в е р т и ч н о г о возраста (см. гл. 11). З н а ч и ­
тельные удельные расходы естественных потоков и наличие участ­
ков и н т е н с и в н о й разгрузки р о д н и к о в ы м с т о к о м или и с п а р е н и е м
(см. рис. 11.2, 11.3) определяют ф о р м и р о в а н и е структуры эксплуа­
т а ц и о н н ы х з а п а с о в п о д з е м н ы х вод главным о б р а з о м за счет е с ­
тественных ресурсов (рис. 14.5). В некоторых случаях значительная
часть э к с п л у а т а ц и о н н о г о водоотбора может ф о р м и р о в а т ь с я также
за счет естественных запасов подземных вод или за счет естествен­
но-антропогенных ресурсов (орошение). Производительность водо­
заборов в целом достаточно высокая. Т а к , д л я крупных месторож­
дений с хорошими фильтрационными свойствами водовмещаю­
щих пород и и н т е н с и в н о й естественной разгрузкой подземных вод
о н и достигают 150—200 т ы с . м / с у т и более.
В ц е н т р а л ь н ы х частях а р т е з и а н с к и х б а с с е й н о в к р у п н ы х м е ж ­
горных в п а д и н у с л о в и я ф о р м и р о в а н и я м е с т о р о ж д е н и й п о д з е м ­
ных вод в целом а н а л о г и ч н ы б а с с е й н а м п л а т ф о р м е н н о г о типа.
Месторождения
ограниченных по площади структур и массивов
трещиноватых
и закарстованных
пород и потоков
трещинно-жиль­
ных вод зон тектонических
нарушений к а к с а м о с т о я т е л ь н ы й т и п
месторождений характерны главным образом для территории
складчатых областей (Урал, А л т а е - С а я н е к а я область и др.). Водов м е щ а ю щ и м и п р и н ц и п и а л ь н о могут быть т р е щ и н о в а т ы е п о р о д ы
л ю б о г о состава, о д н а к о п р а к т и ч е с к и всегда н а и б о л е е п е р с п е к т и в ­
н ы м и я в л я ю т с я участки (структуры), с л о ж е н н ы е и н т е н с и в н о за­
карстованными породами. В связи с относительно невысокими
емкостными свойствами трещиноватых пород и ограниченными
р а з м е р а м и структур и т р е щ и н н ы х з о н ф о р м и р о в а н и е э к с п л у а т а ­
ц и о н н ы х запасов в м е с т о р о ж д е н и я х этого т и п а с в я з а н о с и с п о л ь ­
з о в а н и е м е с т е с т в е н н ы х или п р и в л е к а е м ы х ресурсов. Э к с п л у а т а 3
3
3
http://geoschool.web.ru
Глава 14. Р е с у р с ы п о д з е м н ы х вод х о з я й с т в е н н о - п и т ь е в о г о назначения
347
Рис. 14.5. Месторождение подземных вод
во внутридолинном конусе выноса (по
P.M. Никитину, 1988): а — гидрогеологи­
ческий разрез месторождения: / — дочетвертичные отложения; 2 — суглинки;
3 — пески с валунно-галечниковыми об­
разованиями; 4 — пески; 5—7 — уровни
подземных вод (5 — свободный, 6 — на­
порный в верхнем пласте, 7 — напорный
в среднем пласте); 8 — напор в скважине;
9 — родники и разгрузка в русло; 10 —
направления движения подземных вод;
б — прогнозная балансовая структура экслционного водоотбора: / — естественные ресурсы; 2—3 — естественные
запасы соответственно верхнего и нижнего водоносных пластов
ц и о н н ы е з а п а с ы м е с т о р о ж д е н и й , к а к п р а в и л о , не п р е в ы ш а ю т
10—20 тыс. м / с у т . Для крупных структур, с л о ж е н н ы х и н т е н с и в н о
з а к а р с т о в а н н ы м и п о р о д а м и или в ы с о к о п р о н и ц а е м ы м и п о р о д а м и
другого т и п а ( и н т е н с и в н о - т р е щ и н о в а т ы е п е с ч а н и к и , н е о г е н - ч е т ­
в е р т и ч н ы е в у л к а н о г е н н ы е или в у л к а н о г е н н о - о с а д о ч н ы е п о р о д ы
и др.), при б л а г о п р и я т н ы х условиях ф о р м и р о в а н и я естественных
или п р и в л е к а е м ы х ресурсов э к с п л у а т а ц и о н н ы е запасы м е с т о р о ж ­
д е н и й могут достигать здесь 100 тыс. м / с у т и более.
Месторождения
грунтовых вод песчаных массивов
подразделя­
ются на два с у щ е с т в е н н о р а з л и ч н ы х подтипа: 1) м е с т о р о ж д е н и я
п е с ч а н ы х м а с с и в о в п у с т ы н ь и п о л у п у с т ы н ь и 2) м е с т о р о ж д е н и я
песчаных массивов зандровых р а в н и н . П е р в ы й подтип месторож­
д е н и й является с п е ц и ф и ч е с к и м , с в я з а н н ы м в о с н о в н о м с л и н з а м и
и о г р а н и ч е н н ы м и участками р а с п р о с т р а н е н и я пресных вод среди
3
3
http://geoschool.web.ru
Часть IV. И с п о л ь з о в а н и е и о х р а н а п о д з е м н ы х вод
348
вод с о т н о с и т е л ь н о п о в ы ш е н н о й м и н е р а л и з а ц и е й ( с м . гл. 12).
Месторождения этого типа характеризуются, как правило, м а л ы м и
величинами естественных ресурсов и при отсутствии естественноантропогенных источников восполнения (орошение, фильтрация
из к а н а т о в и др.) или привлекаемых ресурсов структура эксплуата­
ционного водоотбора формируется здесь за счет сработки естествен­
ных запасов пресных вод. Эксплуатационные запасы месторождений
о б ы ч н о не п р е в ы ш а е т 10 т ы с . м / г о д , в условиях и н т е н с и в н о г о
естественно-антропогенного восполнения (крупные прирусловые
и п р и к а н а ч ь н ы е л и н з ы пресных вод) — д о 50 т ы с . м / с у т .
Месторождения песчаных массивов зандровых равнин и место­
рождения подземных вод межморенных отложений наряду с месторож­
д е н и я м и речных д о л и н я в л я ю т с я о с н о в н ы м и т и п а м и м е с т о р о ж д е ­
ний четвертичных о т л о ж е н и й области л е д н и к о в о й а к к у м у л я ц и и .
В з а в и с и м о с т и от м о щ н о с т и и ф и л ь т р а ц и о н н ы х свойств в о д о в м е ­
щ а ю щ и х пород, условий залегания в о д о н о с н ы х г о р и з о н т о в , связи
с поверхностными водами и других факторов структура и величины
(до 10—50 т ы с . м / с у т , в переуглубленных л е д н и к о в ы х д о л и н а х —
до 100 т ы с . м / с у т и более) э к с п л у а т а ц и о н н ы х запасов п о д з е м н ы х
вод м е с т о р о ж д е н и й этих т и п о в могут быть р а з л и ч н ы м и .
Месторождения
подземных вод областей распространения
много­
летнемерзлых пород д о н а с т о я щ е г о времени изучены о т н о с и т е л ь н о
слабо. В п р и н ц и п е о н и могут быть с в я з а н ы с н а л и ч и е м п р е с н ы х
подмерзлотных, м е ж м е р з л о т н ы х и н а д м е р з л о т н ы х п о д з е м н ы х вод
(см. гл. 11) и п р и м е р н о соответствовать л ю б о м у из р а с с м о т р е н н ы х
выше типов месторождений (вероятно, кроме месторождений в
п е с ч а н ы х м а с с и в а х п у с т ы н ь ) . О д н а к о во всех случаях н а л и ч и е
м н о г о л е т н е м е р з л ы х , п р а к т и ч е с к и в о д о у п о р н ы х пород и д л и т е л ь ­
ное с е з о н н о е п р о м е р з а н и е п о в е р х н о с т н ы х вод и вод С Т С р е з к о
у м е н ь ш а ю т в о з м о ж н о с т и ф о р м и р о в а н и я естественных и п р и в л е ­
каемых ресурсов, что определяет особенности ф о р м и р о в а н и я струк­
туры э к с п л у а т а ц и о н н ы х з а п а с о в и их величину. В то же время в
условиях с п л о ш н о г о глубокого п р о м е р з а н и я г и д р о г е о л о г и ч е с к и х
структур (см. гл. 11) собственно месторождения пресных подземных
вод могут п р а к т и ч е с к и отсутствовать.
3
3
3
3
Как было сказано выше, при поисках и разведке месторождений
подземных вол их э к с п л у а т а ц и о н н ы е запасы д о л ж н ы соотноситься
с так называемой " з а я в л е н н о й потребностью в воде". В настоящее
время для населенных пунктов с централизованным водоснабжени­
ем и канализацией расход воды для хозяйственно-питьевых целей
достигает 100—500 л / с у т на человека. С учетом д о п о л н и т е л ь н о г о
расхода воды для нужд местной п р о м ы ш л е н н о с т и и к о м м у н а л ь н ы х
целей средняя потребность в воде для города с населением 100 тыс.
человек достигает 30—50 тыс. м /сут. Эти ц и ф р ы дают только общее
3
http://geoschool.web.ru
Глава 14. Р е с у р с ы п о д з е м н ы х вод х о з я й с т в е н н о - п и т ь е в о г о назначения
349
представление, поскольку они значительно меняются в зависимости
от типа населенного пункта, местных климатических условий, вида
промышленности и др. Тем не менее, если учитывать, что эксплуа­
т а ц и о н н ы е запасы крупных месторождений подземных вод д о с т и ­
гают 100—150, а в ряде случаев 500 тыс. м / с у т ( П л о т н и к о в , 1979),
запасы о д н о г о к р у п н о г о м е с т о р о ж д е н и я ( п р и его н а л и ч и и ) могут
о б е с п е ч и т ь х о з я й с т в е н н о - п и т ь е в о е в о д о с н а б ж е н и е города с насе­
л е н и е м д о 1 млн человек и более.
Объем и использование запасов пресных подземных вод в Рос­
сии при всей сложности их учета и неполноте д а н н ы х могут быть
охарактеризованы с л е д у ю щ и м и ц и ф р а м и . С у м м а р н ы е прогнозные
ресурсы п р е с н ы х п о д з е м н ы х вод т е р р и т о р и и Р о с с и и с о с т а в л я ю т
1098 млн м / с у т (см. табл. 14.2). И з этого количества по м а к с и ­
мальным о ц е н к а м ( П и н н е к е р , 1984) непосредственно используется
о к о л о 170 млн м / с у т , что составляет в среднем п о стране о к о л о
10% с у м м а р н о г о в о д о п о т р е б л е н и я (см. р и с . 14.1). Е с т е с т в е н н о ,
что з н а ч е н и е п о д з е м н ы х вод в с у м м а р н о м в о д о п о т р е б л е н и и су­
щественно отличается для районов с разными климатическими
у с л о в и я м и . Д л я з а с у ш л и в ы х р а й о н о в с о г р а н и ч е н н ы м и ресурсами
поверхностных вод и р а й о н о в р а с п р о с т р а н е н и я м н о г о л е т н е м е р з ­
лых пород с сезонно замерзающими поверхностными водами
с р а в н и т е л ь н о е и с п о л ь з о в а н и е п о д з е м н ы х вод з н а ч и т е л ь н о более
высокое. Так, для территории южных районов России, средне­
азиатских государств С Н Г , А з е р б а й д ж а н а и других стран и с п о л ь ­
зование п о д з е м н ы х вод достигает 50% и более от о б щ и х величин
в о д о п о т р е б л е н и я . П р и м е р н о в 50% городов России х о з я й с т в е н н о питьевое в о д о с н а б ж е н и е о с н о в а н о на и с п о л ь з о в а н и и п о д з е м н ы х
вод, п р и м е р н о 25% используют с о в м е с т н о п о в е р х н о с т н ы е и п о д ­
з е м н ы е воды, 15—20% — т о л ь к о п о в е р х н о с т н ы е воды ( Х а р д и к а й нен, К р у т и к о в а , 1988).
3
3
3
Н а и б о л е е ш и р о к о эксплуатируются м е с т о р о ж д е н и я п о д з е м н ы х
вод аллювиальных отложений речных д о л и н , доля которых состав­
л я е т о к о л о 60% о б щ е г о о б ъ е м а и с п о л ь з у е м ы х з а п а с о в п р е с н ы х
п о д з е м н ы х вод, м е с т о р о ж д е н и я а р т е з и а н с к и х б а с с е й н о в ( о к о л о
15%) и т р е щ и н н о - к а р с т о в ы х вод (8%) ( П л о т н и к о в , 1979).
А н а л и з эксплуатации подземных вод свидетельствует о том, что
во всех случаях наиболее с л о ж н ы е задачи связаны с и с п о л ь з о в а н и ­
ем этих вод при больших значениях з а я в л е н н о й потребности, п р и ­
м е р н о на уровне 50 тыс. м / с у т и более. Это определяется, в о - п е р ­
вых, т е м , что к р у п н ы е м е с т о р о ж д е н и я п р е с н ы х п о д з е м н ы х вод
формируются только в районах с определенным типом гидрогеоло­
гических условий (см. выше). Во-вторых, разведка и оценка запасов
п о д з е м н ы х вод к р у п н о г о м е с т о р о ж д е н и я с а н а л и з о м структуры
э к с п л у а т а ц и о н н о г о водоотбора, п р о г н о з о м водоотбора и качества
3
http://geoschool.web.ru
Часть IV. И с п о л ь з о в а н и е и о х р а н а п о д з е м н ы х вод
350
воды на весь р а с ч е т н ы й с р о к э к с п л у а т а ц и и и о ц е н к о й э к о л о г и ­
ческих последствий э к с п л у а т а ц и и м е с т о р о ж д е н и я в б о л ь ш и н с т в е
случаев п р е д с т а в л я ю т д о с т а т о ч н о с л о ж н у ю н а у ч н о - т е х н и ч е с к у ю
задачу. Р е ш е н и е этой задачи требует в ы с о к о й к в а л и ф и к а ц и и с п е ­
циалистов-гидрогеологов и использования самых современных
методов исследований, о с н о в а н н ы х в последнее время на ш и р о к о м
применении ЭВМ.
Контрольные
вопросы к главе 14
1. Основные направления хозяйственного
использования
подземных
вод.
2. Классификация
запасов и ресурсов подземных вод.
3. Понятие "эксплуатационные
запасы подземных
вод".
4. Балансовая структура эксплуатационного
водоотбора.
5. Основные типы месторождений
пресных подземных вод.
Глава
15
МИНЕРАЛЬНЫЕ И ТЕРМАЛЬНЫЕ
ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ
М и н е р а л ь н ы м и , в о т л и ч и е от х о з я й с т в е н н о - п и т ь е в ы х , н а з ы в а ­
ются п р и р о д н ы е в о д ы , о с о б е н н о с т и состава и с в о й с т в которых
( р а д и о а к т и в н о с т ь , п о в ы ш е н н ы е к о н ц е н т р а ц и и о б ы ч н ы х и (или)
наличие с п е ц и ф и ч е с к и х к о м п о н е н т о в и др.) п о з в о л я ю т и с п о л ь з о ­
вать их в качестве л е ч е б н ы х или п р о м ы ш л е н н ы х . О с о б ы м т и п о м
п о д з е м н ы х вод, в о т л и ч и е от пресных питьевых и м и н е р а л ь н ы х ,
я в л я ю т с я термальные воды, и с п о л ь з у е м ы е в качестве
термоэнерге­
тических ( г и д р о т е р м а л ь н ы х ) р е с у р с о в . О с н о в н о й о с о б е н н о с т ь ю
химического состава м и н е р а л ь н ы х вод является присутствие о б ы ч ­
н ы х или с п е ц и ф и ч е с к и х к о м п о н е н т о в ( С 0 , H S , N , Br, I, В,
H S i 0 , Rn, Fe, As, органических веществ и многих других) в к о н ­
центрациях, п р е в ы ш а ю щ и х с п е ц и а л ь н о р а з р а б о т а н н ы е к р и т е р и и .
С о д е р ж а щ и е м и н е р а л ь н ы е воды э л е м е н т ы г и д р о г е о л о г и ч е с к о г о
разреза ( в о д о н о с н ы е к о м п л е к с ы , г о р и з о н т ы , з о н ы , участки и др.),
по а н а л о г и и с т в е р д ы м и п о л е з н ы м и и с к о п а е м ы м и , н а з ы в а ю т
п р о д у к т и в н ы м и . П р о д у к т и в н ы м и могут б ы т ь э л е м е н т ы к а к гор­
но-складчатых, так и пластовых гидрогеологических систем р а з 1
2
4
2
2
4
1
В.И. Вернадский вслед за В.М. Севергиным кроме подземных вод относит
к категории минеральных воды Мирового океана и минеральных озер.
http://geoschool.web.ru
Глава 15. М и н е р а л ь н ы е и т е р м а л ь н ы е п о д з е м н ы е воды
351
л и ч н о г о возраста и с т р о е н и я , в с в я з и с чем м и н е р а л ь н ы е воды
характеризуются ш и р о к и м разнообразием минерализации, ион­
ного, газового состава и свойств.
Наряду с естественно-научными проблемами (исследование
условий ф о р м и р о в а н и я , генезиса состава, о ц е н к а в о д о о б и л ь н о с т и
и др.) при и з у ч е н и и м и н е р а л ь н ы х вод в а ж н е й ш е е з н а ч е н и е имеет
о б о с н о в а н и е р е н т а б е л ь н о с т и их д о б ы ч и и э к с п л у а т а ц и и , т.е. тех­
н и к о - э к о н о м и ч е с к и й аспект. С этой т о ч к и з р е н и я наиболее в ы ­
годно к о м п л е к с н о е и с п о л ь з о в а н и е м и н е р а л ь н ы х вод. Н а п р и м е р ,
п о п у т н о е и з в л е ч е н и е ц е н н ы х к о м п о н е н т о в из т е п л о э н е р г е т и ч е ­
ских, у т и л и з а ц и я и з б ы т о ч н о г о тепла л е ч е б н ы х м и н е р а л ь н ы х вод
и т.д. Учитывается стоимость в о д о п р и е м н ы х и перерабатывающих
у с т р о й с т в , у д а л е н н о с т ь от п у н к т о в п о т р е б л е н и я ( п е р е р а б о т к и ) ,
н а л и ч и е п о д ъ е з д н ы х путей, с т о и м о с т ь т е х н о л о г и ч е с к и х схем, в
том числе о ч и с т к и , о х л а ж д е н и я и нагрева и т.д. Т а к и м о б р а з о м , в
приведенном в ы ш е определении м и н е р а л ь н ы х вод подчеркивается
сугубо п р и к л а д н о й с м ы с л этого п о н я т и я . О п р е д е л е н и е п о н я т и я
" м е с т о р о ж д е н и е п о д з е м н ы х в о д " (см. гл. 14) для к а ж д о й из кате­
горий минеральных вод имеет некоторую специфику, которая обус­
л о в л и в а е т и о с о б е н н о с т и о ц е н к и их э к с п л у а т а ц и о н н ы х запасов.
15.1. Лечебные минеральные воды
Лечебными минеральными
н а з ы в а ю т с я воды, о б л а д а ю щ и е б а л ь ­
н е о л о г и ч е с к и м и с в о й с т в а м и благодаря н а л и ч и ю в их составе р а з ­
л и ч н ы х м и н е р а л ь н ы х , о р г а н и ч е с к и х или р а д и о а к т и в н ы х веществ,
в т о м ч и с л е газов, в т е р а п е в т и ч е с к и а к т и в н ы х к о н ц е н т р а ц и я х .
И с т о ч н и к и целебных м и н е р а л ь н ы х вод использовались человеком
е щ е в глубокой д р е в н о с т и . П е р в о й о ф и ц и а л ь н о й и н с т р у к ц и е й по
п р и м е н е н и ю их в России следует считать " Д о к т о р с к и е п р а в и л а "
Петра I, с о с т а в л е н н ы е им для курорта М а р ц и а л ь н ы е Воды в К а ­
релии и о ф о р м л е н н ы е с п е ц и а л ь н ы м указом в 1719 г.: «...Понеже
Господь Бог, по своей к нам м и л о с т и , здесь такую ц е л е б н у ю воду
я в и т ь б л а г о в о л и л ( к о т о р а я п р е ж д е не з н а е м а б ы л а ) . . . п о в е л е л и
М ы в ы ш е у п о м я н у т ы я правила д о к т о р а м н а п и с а т ь , как о н ы я воды
употреблять... д а б ы н е в е д е н и е м вместо п о л ь з ы , паче траты з д о ­
р о в ь ю своему кто не принес...»
Б о л ь ш о й вклад в и з у ч е н и е м и н е р а л ь н ы х вод в н е с л и у ч е н ы е ,
н а ч и н а я с М.В. Л о м о н о с о в а и В.М. С е в е р г и н а . Б о л ь ш и е работы в
этой области были выполнены российскими исследователями:
Е.А. Б а с к о в ы м , А . П . Г е р а с и м о в ы м , И . К . З а й ц е в ы м , В.В. И в а н о ­
в ы м , М.Г. К у р л о в ы м , Ф . А . М а к а р е н к о , A . M . О в ч и н н и к о в ы м ,
А.Н. Огильви, Н.Н. Славяновым, Н.И. Толстихиным и многими
другими.
http://geoschool.web.ru
Часть IV. И с п о л ь з о в а н и е и о х р а н а п о д з е м н ы х вод
352
К числу о с н о в н ы х к о м п о н е н т о в состава п о д з е м н ы х вод, пред­
с т а в л я ю щ и х интерес для б а л ь н е о л о г и и , относятся С 0 , H S , Fe,
As, Br, 1, H S i 0 , R n , о р г а н и ч е с к и е вещества. И м е ю т с у щ е с т в е н ­
ное з н а ч е н и е щ е л о ч н о - к и с л о т н о е с о с т о я н и е , температура, о б щ е е
содержание растворенных к о м п о н е н т о в , а также в связи с т о к с и ч ­
н о с т ь ю — п о в ы ш е н н ы е к о н ц е н т р а ц и и некоторых и о н о в , в част­
ности ряда металлов.
С у щ е с т в у ю т н о р м ы и к р и т е р и и о т н е с е н и я п о д з е м н ы х вод к
категории л е ч е б н ы х , т.е. н и ж н и е пределы к о н ц е н т р а ц и й к о м п о ­
н е н т о в , при которых вода н а ч и н а е т о к а з ы в а т ь на о р г а н и з м ч е л о ­
века б а л ь н е о л о г и ч е с к о е воздействие, о т л и ч а ю щ е е с я от д е й с т в и я
о б ы ч н о й питьевой воды (табл. 15.1). О д н и к р и т е р и и о б о с н о в а н ы
ф и з и о л о г и ч е с к и м и п р и з н а к а м и (реакция п о к р а с н е н и я к о ж и , т е п ­
ловые о щ у щ е н и я и т.д.), другие — к л и н и ч е с к и м и о ц е н к а м и .
В разных странах н о р м ы и к р и т е р и и могут различаться. На т о к ­
с и ч н ы е и о н ы , к а к и д л я п и т ь е в ы х вод, с у щ е с т в у ю т н о р м а т и в ы
п р е д е л ь н о д о п у с т и м ы х к о н ц е н т р а ц и й ( П Д К ) , к о т о р ы е с учетом
длительности потребления несколько различаются для лечебных
и л е ч е б н о - с т о л о в ы х вод (табл. 15.2). Учитывается и к о л и т и т р , к о ­
торый д о л ж е н п р е в ы ш а т ь 100 для купальных и 300 для л е ч е б н ы х
питьевых вод.
2 с в
4
Таблица 15.1
О с н о в н ы е показатели и н о р м ы
о ц е н к и м и н е р а л ь н ы х л е ч е б н ы х вод
(по В. В. Иванову и Г.Л. Невраеву, 1967)
Показатели
3
3
H,S
As
Fe 0,
Br
I
II S:(). + HSiO,
мг/дм"
Rn, иКи/дм
3
Таблица 15.2
Предельно д о п у с т и м ы е к о н ц е н т р а ц и и
(ПДК) н е к о т о р ы х т о к с и ч н ы х
и вредных веществ для питьевых
м и н е р а л ь н ы х вод
Критерий (не менее)
Минерализа­
ция, г/л
Газонасыщен­
ность. мл/лм
СО,, г/дм
4
2
4
ПДК, мг/дм
2,0
50
1.4 (купальные)
0,5 (питьевые)
10
0.7
20
25
5
50
5
Примечание. По органическому ве­
ществу официальных критериев нет.
В России используют воды с кон­
центрацией С от 12 до 140 мг/дм .
3
3
Компонент
лечебностоловые
воды
лечебные
воды
As
F
V
Hg
Pb
Sc
Cr
Ra
U
No,
No^
NH
Органические ве­
щества (в сумме)
Фенолы
1,5
5,0
0,4
0,02
0,3
0,05
0,5
5 • Ю0,5
2,0
50.0
2,0
3,0
8,0
0,4
0,02
0.3
0,05
0,5
5- 10
0,5
2,0
50,0
2.0
http://geoschool.web.ru
4
10.0
0,001
7
30,0
0,001
7
Глава 15. М и н е р а л ь н ы е и т е р м а л ь н ы е п о д з е м н ы е воды
353
В о с н о в е воздействия на о р г а н и з м человека вод с р а з л и ч н ы м и
м и н е р а л и з а ц и е й и составом лежат, в ч а с т н о с т и , о с м о т и ч е с к и е и
диффузионные явления, поскольку плазма крови представляет
собой х л о р и д н ы й натриевый раствор, с о д е р ж а щ и й белки и другие
органические вещества, с ф о р м у л о й и о н н о г о состава (по В.В. И в а ­
нову и Г.А. Невраеву, 1967):
С166 Н С 0 1 9
3
Na92(Ca + M g ) '
Общая к о н ц е н т р а ц и я этих и о н о в в крови составляет около
300 м м о л ь / д м , п о э т о м у каждая вода в з а в и с и м о с т и от ее состава
может б ы т ь " г и п о - " , " и з о " - или " г и п е р т о н и ч е с к о й " п о о т н о ш е ­
н и ю к плазме к р о в и , что и определяет н а п р а в л е н и е о с м о т и ч е с к и х
и диффузионных процессов.
В з а в и с и м о с т и от состава и з о т о н и ч е с к и м и могут б ы т ь воды с
м и н е р а л и з а ц и е й от 8,4 д о 13,0 г / д м . Воды с т а к о й м и н е р а л и з а ­
цией и м е н ь ш е й п р и м е н я ю т на курортах д л я питья, с м и н е р а л и ­
зацией 2—8 г / д м ~~ в качестве л е ч е б н о - с т о л о в ы х , с м и н е р а л и з а ­
ц и е й 10—140 г / д м — к а к к у п а л ь н ы е . П р и п р е в ы ш е н и и э т и х
н о р м вода п о д л е ж и т р а з в е д е н и ю с у с л о в и е м с о х р а н е н и я к о н д и ­
ц и о н н о с т и по т е р а п е в т и ч е с к и а к т и в н ы м к о м п о н е н т а м .
не я в л я я с ь сама п о себе б а л ь н е о л о г и ч е с к и м
Температура,
фактором, служит важным показателем. Наиболее рентабельны
воды с температурой 35—42°С, более х о л о д н ы е требуют п о д о г р е ­
ва, более горячие — о х л а ж д е н и я .
Классификация
лечебных вод. Ц е л я м с и с т е м а т и з а ц и и о г р о м н о г о
разнообразия состава и свойств лечебных м и н е р а л ь н ы х вод служит
классификация В.В. Иванова и Г.А. Невраева (1964), которая позво­
л я е т учесть к а к все б а л ь н е о л о г и ч е с к и е к о м п о н е н т ы и свойства,
так и о б щ и е х а р а к т е р и с т и к и и о н н о г о состава, в е л и ч и н у м и н е р а ­
л и з а ц и и , щ е л о ч н о - к и с л о т н о е с о с т о я н и е и температуру м и н е р а л ь ­
ных вод. О с о б ы м д о с т о и н с т в о м д а н н о й к л а с с и ф и к а ц и и является
четкое место каждого известного т и п а м и н е р а л ь н о й воды в сетке
" б а л ь н е о л о г и ч е с к а я группа и газовый состав — и о н н ы й состав и
м и н е р а л и з а ц и я " , что облегчает п о и с к аналогов и сокращает время
и стоимость клинических испытаний новых лечебных минераль­
ных вод.
В з а в и с и м о с т и от состава ф а р м а к о л о г и ч е с к и а к т и в н ы х к о м п о ­
нентов и газов м и н е р а л ь н ы е воды разделены на восемь о с н о в н ы х
б а л ь н е о л о г и ч е с к и х групп с п о д г р у п п а м и п о г а з о в о м у с о с т а в у :
1) углекислые; 2) с у л ь ф и д н ы е ( С Н , N и л и С 0 ) ; 3) ж е л е з и с т ы е ,
м ы ш ь я к о в и с т ы е и др. ( N , С 0 ) ; 4) б р о м н ы е , й о д о б р о м н ы е и й о д 3
3
3
3
4
2
2
2
http://geoschool.web.ru
2
Часть IV. И с п о л ь з о в а н и е и о х р а н а п о д з е м н ы х вод
354
2
н ы е ' ( N , С Н ) ; 5) с п о в ы ш е н н ы м с о д е р ж а н и е м о р г а н и ч е с к и х
веществ ( N , С Н ) ; 6) р а д о н о в ы е ( N , С О , ) ; 7) к р е м н и с т ы е тер­
м а л ь н ы е (N-,, С Н , С 0 ) .
Восьмая ф у п п а — без специфических компонентов и свойств —
включает лечебные минеральные воды, бальнеологическое действие
которых о п р е д е л я е т с я составом м а к р о к о м п о н е н т о в и в е л и ч и н о й
м и н е р а л и з а ц и и . К ней относятся м о с к о в с к и й ( S 0 — С а , м и н е р а л и ­
зация 3,9 г / д м ) , баталинский ( S 0 — N a , м и н е р а л и з а ц и я 20 г / д м ) ,
с т а р о р у с с к и й (CI—Na, м и н е р а л и з а ц и я 20 г / д м ) и другие т и п ы
м и н е р а л ь н ы х вод.
Краткая характеристика этих групп рассматривается на п р и м е ­
рах и з в е с т н ы х м е с т о р о ж д е н и й . Д л я к а ж д о й б а л ь н е о л о г и ч е с к о й
группы вод выделяется н е с к о л ь к о о с н о в н ы х х а р а к т е р н ы х т и п о в
месторождений
Для минеральных лечебных вод в отличие от пресных основным
ф а к т о р о м , о п р е д е л я ю щ и м их ценность и возможность использова­
н и я , является н а л и ч и е б а л ь н е о л о г и ч е с к и а к т и в н ы х к о м п о н е н т о в ,
в связи с чем м е с т о р о ж д е н и я л е ч е б н ы х вод нередко эксплуатиру­
ются, несмотря на н е б о л ь ш у ю величину запасов.
По условиям ф о р м и р о в а н и я и з а л е г а н и я , о п р е д е л я ю щ и м о с о ­
бенности состава м и н е р а л ь н ы х вод и методы о ц е н к и эксплуата­
ц и о н н ы х запасов, Г.С. Вартанян и Л .А. Я р о ц к и й выделяют шесть
т и п о в м е с т о р о ж д е н и й : 1) п л а с т о в ы й — а р т е з и а н с к и х б а с с е й н о в
п л а т ф о р м е н н о г о типа; 2) пластовый — предгорных и м е ж г о р н ы х
артезианских б а с с е й н о в и с к л о н о в ; 3) т р е щ и н н о - ж и л ь н ы й — гор­
но-складчатых гидрогеологических областей; 4) г и д р о и н ж е к ц и о н н ы й (пластовый) — зон разгрузки глубоких вод в м е ж п л а с т о в ы с
н а п о р н ы е горизонты а р т е з и а н с к и х структур; 5) г и д р о и н ж е к ц и о н ный (грунтовый) — зон разгрузки глубоких вод в грунтовые водо­
н о с н ы е г о р и з о н т ы ; 6) грунтовый.
При исследованиях месторождений лечебных минеральных
вод кроме детального изучения о с о б е н н о с т е й и о н н о г о и газового
состава особое в н и м а н и е о б р а щ а е т с я на их режим и с е з о н н у ю ус­
т о й ч и в о с т ь к о н д и ц и о н н ы х показателей в течение всего р а с ч е т н о ­
го срока э к с п л у а т а ц и и . С п е ц и а л ь н ы е гидрогеохимические д а н н ы е
н е о б х о д и м ы для о ц е н к и в о з м о ж н о г о а г р е с с и в н о г о в о з д е й с т в и я
вод на о б о р у д о в а н и е водозаборов и водопроводов, для прогноза
в о з м о ж н о г о о с а ж д е н и я солей и " з а р а с т а н и я " с к в а ж и н с падением
2
4
2
4
4
2
2
4
1
3
4
3
1
Традиционное наименование, принятое в бальнеологии и гидрогеологии
промышленных вод. С химической точки зрения правильно "йодистые", "бро­
мистые", "йодисто-бромистые", по Е.В. Посохову и Н.И. Толстихину (1977).
Обнаружены и углекислые йодобромиые волы.
2
http://geoschool.web.ru
Глава 15. М и н е р а л ь н ы е и т е р м а л ь н ы е п о д з е м н ы е воды
355
(иногда д о нуля) их п р о и з в о д и т е л ь н о с т и . О с о б о е в н и м а н и е при
разведке месторождений лечебных вод необходимо при выявлении
участков п о в е р х н о с т н о г о з а г р я з н е н и я и о б о с н о в а н и и зон с а н и ­
тарной охраны.
П р и расчетах э к с п л у а т а ц и о н н ы х запасов газирующих вод вво­
дятся поправки на "газлифт" — явление самопроизвольного подъе­
ма к поверхности газоводяной смеси при откачке, для термальных
вод — на температуру.
Характеристика основных бальнеологических групп
Углекислые воды — одна из наиболее ш и р о к о известных б а л ь ­
неологических групп лечебных минеральных вод, п р и м е н я ю щ и х с я
как для ванн (СО-, > 1,4 г / д м ) , так и для питья ( С О , > 0,5 г / д м ) .
Углекислота является а к т и в н ы м средством воздействия на сердеч­
но-сосудистую систему, стимулирует секреторную деятельность
желудка и т.д.
Р а с п р о с т р а н е н и е п о д з е м н ы х вод, с о д е р ж а щ и х з н а ч и т е л ь н ы е
к о н ц е н т р а ц и и углекислоты, определяется прежде всего н а л и ч и е м
условий для ее генерации — с о в р е м е н н ы х очагов т е р м о м е т а м о р ­
ф и з м а к а р б о н а т н ы х пород, в у л к а н и з м а , соответствующей б и о х и ­
м и ч е с к о й о б с т а н о в к и . П о э т о м у м е с т о р о ж д е н и я у г л е к и с л ы х вод
встречаются: 1) в горно-складчатых областях к а й н о з о й с к о г о воз­
раста (или т е к т о н и ч е с к и а к т и в и з и р о в а н н ы х в к а й н о з о е ) , а также
в п р и м ы к а ю щ и х к ним п е р и ф е р и ч е с к и х частях артезианских
структур; 2) в в у л к а н о г е н н ы х бассейнах; 3) в областях с о в р е м е н ­
ного в у л к а н и з м а ' . М е с т о р о ж д е н и я л е ч е б н ы х углекислых вод от­
носятся главным образом к первому и второму т и п а м .
Углекислые воды характеризуются м а к с и м а л ь н о й для п о д з е м ­
ных [юл г а з о н а с ы щ е н н о с т ь ю . С о о т н о ш е н и е д е б и т о в газа и воды
(так н а з ы в а е м ы й " г а з о в ы й ф а к т о р " ) для них о б ы ч н о составляет
1.5—5,0, но может достигать 15—20, как п р а в и л о , он возрастает с
глубиной. С т и м у л и р у я растворение к а р б о н а т о в , углекислота с п о ­
с о б с т в у е т о б о г а щ е н и ю вод г и д р о к а р б о н а т - и о н о м , чем а к т и в н о
воздействует на ф о р м и р о в а н и е и и з м е н е н и е и с х о д н о г о и о н н о г о
состава п о д з е м н ы х вод. п о с т у п а ю щ и х в очаги ее г е н е р а ц и и .
В н а с т о я щ е е время у с т а н о в л е н о о к о л о 30 т и п о в у г л е к и с л ы х
вод — от пресных г и д р о к а р б о н а т н ы х и с у л ь ф а т н о - г и д р о к а р б о н а т ­
ных до хлоридных с м и н е р а л и з а ц и е й до 90 г / д м .
3
3
3
1
В последние годи ряд углекислых минеральных месторождений был уста­
новлен также в центральной части Западно-Сибирского артезианского бассейна.
http://geoschool.web.ru
Часть IV. И с п о л ь з о в а н и е и о х р а н а п о д з е м н ы х вод
356
Среди них наиболее ш и р о к о п р и м е н я ю т с я в бальнеологии
р а з н о о б р а з н ы е нарзаны ( з а б а й к а л ь с к и е — д а р а с у н ы , а р ш а н ы ; к а в ­
казские — к и с л о в о д с к и е , п я т и г о р с к и е , ж е л е з н о в о д с к и е ) , а т а к ж е
воды т и п о в б о р ж о м и и ессентуки. С в о и н а з в а н и я эти воды полу­
чили от н а и б о л е е известных углекислых и с т о ч н и к о в , в частности
от и с т о ч н и к о в у н и к а л ь н о г о по запасам и р а з н о о б р а з и ю х и м и ч е ­
с к о г о состава у г л е к и с л ы х вод р а й о н а К а в к а з с к и х М и н е р а л ь н ы х
Вод с его к р у п н е й ш и м и курортами: К и с л о в о д с к о м , П я т и г о р с к о м ,
Железноводском и Ессентуками.
Нарзанами
называют углекислые холодные или теплые
пресные и слабосолоноватые воды гидрокарбонатного ( S 0 —
Н С 0 , Н С 0 — S 0 ) , реже сульфатного, кальциевого (Na—Са,
Mg—Са) состава:
4
3
3
4
Курорт Кисловодск, источник Нарзан
СО-, 2,0 М 2,3
2
НСО, 60, SO, 29, С1 11
^
рН 6,3, М З .
СабО, Mg23, Na 17
3
Нарзаны кисловодского типа формируются в карбонатных п о р о ­
дах: известняках и д о л о м и т и з и р о в а н н ы х известняках. И с т о ч н и к о м
с у л ь ф а т о в я в л я е т с я р а с с е я н н ы й в п о р о д а х гипс. В К и с л о в о д с к е
нарзаны с в я з а н ы с к а р б о н а т н ы м и м е л о в ы м и о т л о ж е н и я м и и пестр о ц в е т н о й з а г и п с о в а н н о й т о л щ е й ю р с к о г о возраста, з а л е г а ю щ е й
на ф у н д а м е н т е — гранитах и к р и с т а л л и ч е с к и х сланцах палеозоя.
Углекислота поступает в воды о с а д о ч н ы х п о р о д из ф у н д а м е н т а .
Б л и з к и й состав и иногда м е н ь ш у ю м и н е р а л и з а ц и ю и м е ю т т р е ­
щ и н н о - ж и л ь н ы е х о л о д н ы е воды ш и р о к о и з в е с т н ы х в С и б и р и ку­
рортов Д а р а с у н в Ч и т и н с к о й области и А р ш а н в Бурятии:
Курорт Дарасун, скв. 7/57, глуб. 200 м, песчаники, конгломераты I
Н С О , 88, SO. 9
С О , 3,2 Fe0,18 М 1,2— - -рН 6,0, / 2,8 03,3.
Са51, Mg27
3
2
Н а р з а н а м и пятигорского
и железноводского
т и п о в не в п о л н е
к о р р е к т н о н а з ы в а ю т у г л е к и с л ы е т е р м а л ь н ы е более м и н е р а л и з о ­
в а н н ы е воды курортов П я т и г о р с к а и Ж е л е з н о в о д с к а , с о д е р ж а щ и е
в и о н н о м составе хлор и натрий, а также (в различных и с т о ч н и ­
ках) сероводород, железо и кремнекислоту. Эти воды и м е ю т с л о ж ­
н ы й генезис и ф о р м и р у ю т с я п р и более и н т е н с и в н о м воздействии
процессов, свойственных зонам активного термометаморфизма
( о к и с л е н и е с у л ь ф и д о в , р а з л о ж е н и е с и л и к а т о в и др.), на п о р о д ы
с морским ионно-солевым комплексом):
http://geoschool.web.ru
Глава 15. М и н е р а л ь н ы е и т е р м а л ь н ы е п о д з е м н ы е воды
Пятигорск, скв. 16. глуб. 173 м, известняки К
С О , 0,65 H,S0,01 H,SiO,0,08 М 6,8
2
2
2
3
357
2
С1 41, Н С О , 36, SO, 23
^ — р Н 6,7 Г47.
Са51, Mg27
3
Б о р ж о м и — х а р а к т е р н ы й " с о д о в ы й " т и п у г л е к и с л ы х вод —
получил свое н а з в а н и е от о д н о и м е н н о г о курорта в Грузии:
Боржоми, скв. 1, глуб. 197 м, флиш .р,
Н 85 С114
С О , 1,1 H , S i O , 0,029 М6,1 ,
рН6,7 134 Д . 3,4.
(Na + K)63, C a 3 0
3
2
2
3
F
1
Месторождение приурочено к т р е щ и н о в а т ы м ф л и ш е в ы м отло­
ж е н и я м палеоцена в ядре а н т и к л и н а л ь н о й складки. Ф о р м и р о в а н и е
их состава с в я з а н о с более г л у б о к и м и ( с в ы ш е 1400 м) ч а с т я м и
разреза, где возможны сложные процессы термохимического разло­
ж е н и я н а т р и е в ы х с и л и к а т о в а г р е с с и в н ы м и у г л е к и с л ы м и водами.
А н а л о г и ч н ы й состав имеет вода Б а л е й с к и х и с т о ч н и к о в в З а ­
байкалье.
Ессентуки — т а к н а з ы в а е м ы й " с о л я н о - ш е л о ч н о й " , т.е. харак­
теризующийся приблизительно равными содержаниями гидро­
к а р б о н а т - и х л о р - и о н о в ( б е с с у л ь ф а т н ы й ) т и п углекислых вод. П о
С.Н. Погорельскому, эти воды ф о р м и р у ю т с я в юрских отложениях
с участием у г л е к и с л ы х вод ( у г л е к и с л о г о газа), п о с т у п а ю щ и х и з
фундамента, а основными коллекторами являются трещиноватые
к а р б о н а т н ы е породы и п е с ч а н и к и мелового и палеогенового в о з ­
раста:
Курорт Ессентуки, скв. 17, глуб. 124 м, мергели, песчаники Р,
Н С О , 60, С140
С О , 2,6 M l 3 , 0 3—
р Н 6 , 8 Л 2 , 5 Д . 0,17.
(Na + К)93, M g 3
2
П о д а н н ы м изотопных исследований, в глубоких частях разреза
часть углекислоты р а с с м о т р е н н ы х т и п о в м и н е р а л ь н ы х вод может
иметь " м а н т и й н ы й " генезис. Примером вод, содержащих в о с н о в ­
ном в у л к а н о г е н н ы е газы, я в л я ю т с я с е р о в о д о р о д н о - у г л е к и с л ы е и
азотно-углекислые фумарольные термы областей современного вул­
к а н и з м а . Н е к о т о р ы е из н и х и с п о л ь з у ю т с я д л я л е ч е н и я н а К а м ­
чатке и К у р и л ь с к и х островах. Э т и воды и м е ю т к и с л у ю ( р Н < 4,0)
реакцию, хлоридный или сульфатный состав. Среди катионов
могут преобладать р а з л и ч н ы е металлы: а л ю м и н и й , ж е л е з о и д р .
(см. разд. 11.2.3).
http://geoschool.web.ru
Часть IV. И с п о л ь з о в а н и е и о х р а н а п о д з е м н ы х вод
358
Сульфидные (сероводородные)
воды. О с н о в н ы м и б а л ь н е о л о г и ч е ­
с к и м и к о м п о н е н т а м и я в л я ю т с я HUS ( р а с т в о р е н н ы й газ)' и HSг.
С е р о в о д о р о д — б е с ц в е т н ы й я д о в и т ы й газ с р е з к и м запахом,
о щ у щ а е м ы м уже при к о н ц е н т р а ц и и 1 м г / д м , плотность его н е ­
с к о л ь к о в ы ш е плотности воздуха (1,539 г / д м ) . О н п р е к р а с н о ра­
створяется в воде (см. табл. 4.5), о д н а к о ф а к т и ч е с к и е к о н ц е н т р а ­
ции сероводорода в п о д з е м н ы х водах о б ы ч н о в 3—4 раза м е н ь ш е
его теоретической растворимости при д а н н о й температуре и редко
превышают 0.3—0.4 г / д м . М а к с и м а л ь н ы е содержания H , S извест­
ны для н е ф т я н ы х вод (20 г / д м ) . Д о л я сероводорода в о б щ е м га­
зовом составе сульфидных вод составляет, как правило, менее 1%,
в них преобладают в р а з л и ч н ы х с о о т н о ш е н и я х метан, углекислота
или азот.
3
3
3
3
В присутствии воздуха сероводород неустойчив и л е г к о разла­
гается с о б р а з о в а н и е м с е р н и с т о г о газа.
О т н о с и т е л ь н о е с о д е р ж а н и е сероводорода и г и д р о с у л ь ф и д - и о н а
в водах с в я з а н о со щ е л о ч н о - к и с л о т н ы м и у с л о в и я м и : в щ е л о ч н о й
среде преобладает H S (HS~>90% при р Н 8,0), в к и с л о й — H^S
( H S > 9 ( ) % при р Н 6,0). в н е й т р а л ь н о й — H S = H S .
Генезис сероводорода в п о д з е м н ы х водах может быть р а з л и ч ­
н ы м : б и о х и м и ч е с к о е или х и м и ч е с к о е (при высоких д а в л е н и я х и
температурах) в о с с т а н о в л е н и е сульфатов, м а г м а т и ч е с к и е п р о ц е с ­
сы и д р . Б о л ь ш и н с т в о м и н е р а л ь н ы х вод с о д е р ж и т с е р о в о д о р о д
биохимического
происхождения — продукт жизнедеятельности
сульфатредуцирующих бактерий, развитие которых возможно
л и ш ь в строго о п р е д е л е н н ы х условиях. К н и м о т н о с я т с я затруд­
н е н н ы й в о д о о б м е н , восстановительная обстановка, наличие суль­
ф а т о в и о р г а н и ч е с к и х веществ в в о д о в м е щ а ю щ и х породах, т е м п е ­
ратуры д о 70—80°С и др. (см. разд. 4.4).
2
2
В.В. И в а н о в выделяет два типа гидрогеологических у с л о в и й , в
к о т о р ы х могут ф о р м и р о в а т ь с я м е с т о р о ж д е н и я с у л ь ф и д н ы х вод.
К первому о т н о с я т с я м е ж п л а с т о в ы е в о д о н о с н ы е горизонты арте­
зианских б а с с е й н о в в с у л ь ф а т с о д е р ж а щ и х , о б о г а щ е н н ы х о р г а н и ­
ческим веществом породах. Т а к о в ы , н а п р и м е р , многие б а с с е й н ы
п л а т ф о р м е н н о г о т и п а е в р о п е й с к о й части Р о с с и и ( С е в е р о - Д в и н с к и й . В о л г о - К а м с к и й и др.), бассейны межгорного типа (впадины
С р е д н е й А з и и , Кавказа и д р . ) , а р т е з и а н с к и е с к л о н ы ( С о ч и - А д 1
Являясь энергичным восстановителем, т.е. легко отдавая электрон. H,S
активно взаимодействует с окисленными формами белков, ферментов в челове­
ческом организме и способствует восстановлению биоэнергетических ресурсов
клеток, is том числе сердца. Сульфидные воды применяются при лечении сер­
дечно-сосудистых, нервных, кожных заболеваний и др.
http://geoschool.web.ru
Глава 15. М и н е р а л ь н ы е и т е р м а л ь н ы е п о д з е м н ы е воды
359
л е р с к и й , П р и а з о в с к и й и др.). С п о с л е д н и м т и п о м гидрогеологи­
ческих условий с в я з а н ы с у л ь ф и д н ы е воды с наиболее в ы с о к и м и
концентрациями сероводорода (Сочи-Мацеста, Чимион и др.).
Почти из-за полного отсутствия сульфатсодержащих пород в арте­
зианских бассейнах С и б и р и и Дальнего Востока (за и с к л ю ч е н и е м
Ангаро-Ленского) месторождений сероводородных минеральных
вод в пределах этих о б ш и р н ы х т е р р и т о р и й п р а к т и ч е с к и нет.
Мацеста. И с т о ч н и к и сероводородных вод в д о л и н е р. Мацесты
в районе курорта Сочи известны с глубокой древности. М е с т о р о ж ­
д е н и е п р и у р о ч е н о к т р е щ и н о в а т о й т о л щ е б и т у м и н о з н ы х извест­
н я к о в верхней юры и мела, п е р е к р ы т о й о т н о с и т е л ь н о с л а б о п р о ­
н и ц а е м ы м и о т л о ж е н и я м и к а й н о з о я . С у л ь ф и д н ы е воды залегают в
пределах о т н о с и т е л ь н о и з о л и р о в а н н ы х в г и д р о д и н а м и ч е с к о м от­
н о ш е н и и участков (Хоста, Кудепста, Мацеста, М а м а й к а ) в пластах,
круто п а д а ю щ и х к м о р ю . М и н е р а л и з а ц и я с у л ь ф и д н ы х вод и з м е ­
няется от 6—8 д о 47 г / д м , с о д е р ж а н и е с е р о в о д о р о д а достигает
0,65 г / д м , состав х л о р и д н ы й н а т р и е в ы й , ф о р м у л а и о н н о г о соста­
ва воды Новая Мацеста приведена в ы ш е (см. разд. 4.2). О т н о с и ­
т е л ь н о генезиса м а ц е с т и н с к и х м и н е р а л ь н ы х вод существует н е ­
с к о л ь к о р а з л и ч н ы х гипотез ( и н ф и л ь т р а ц и о н н а я , м о р с к а я и др.).
Е.В. Посохов и Н . И . Т о л с т и х и н (1977) считают, что в п е р и ф е р и ­
ческой части б а с с е й н а воды ю р ы и м е ю т и н ф и л ь т р а ц и о н н ы й ге­
незис, в глубоких частях разреза ю р ы залегают д р е в н и е п о г р е б е н ­
ные и п р е о б р а з о в а н н ы е м о р с к и е с е р о в о д о р о д н ы е воды; глубокие
воды меловых о т л о ж е н и й , п о - в и д и м о м у , с м е ш а н н о г о генезиса.
Общая сумма запасов сульфидных вод на курорте Сочи состав­
ляет более 4000 м / с у т .
Второй, менее р а с п р о с т р а н е н н ы й , т и п гидрогеологических у с ­
л о в и й , в которых ф о р м и р у ю т с я м е с т о р о ж д е н и я с у л ь ф и д н ы х вод,
связан с п р и п о в е р х н о с т н о й частью разреза. В р а й о н а х , где сульф а т с о д е р ж а ш и е породы залегают н е п о с р е д с т в е н н о под б о г а т ы м и
органикой т о р ф я н о - б о л о т н ы м и отложениями, в восстановительной
среде с о з д а е т с я о б с т а н о в к а , б л а г о п р и я т н а я д л я ф о р м и р о в а н и я
с у л ь ф а т р е д у ц и р у ю щ и х б а к т е р и й . Генерация H S в этом случае не
столь и н т е н с и в н а . К а к п р а в и л о , э т о Ю—30 м г / д м , о д н а к о р я д
курортов и б а л ь н е о л е ч е б н и ц ( Х и л о в о в П с к о в с к о й области и др.)
используют с у л ь ф и д н ы е воды этого типа.
Минеральные воды с повышенным содержанием железа,
мышьяка
и других металлов.
Ж е л е з и с т ы е воды п р и м е н я ю т с я для л е ч е н и я
ж е л е з о д е ф и ц и т н ы х а н е м и й ( " м а л о к р о в и я " ) и в ряде случаев б о ­
лее э ф ф е к т и в н ы , чем х и м и ч е с к и е препараты. Б а л ь н е о л о г и ч е с к и м
к о м п о н е н т о м является двухвалентное железо. Его м и г р а ц и и с п о ­
собствует кислая р е а к ц и я воды (см. разд. 4.3).
3
3
3
2
3
http://geoschool.web.ru
Часть IV. И с п о л ь з о в а н и е и о х р а н а п о д з е м н ы х вод
360
Среди азотных железистых вод по у с л о в и я м ф о р м и р о в а н и я и
залегания выделяют две группы: 1) с л а б о ж е л е з и с т ы е с л а б о м и н е ­
р а л и з о в а н н ы е воды р а з л и ч н о г о и о н н о г о состава, ф о р м и р у ю щ и е с я
в о б о г а щ е н н ы х железом рыхлых, часто м о р е н н ы х отложениях чет­
вертичного возраста ( П о л ю с т р о в о , С.-Петербург) юти — с более
в ы с о к и м с о д е р ж а н и е м железа — на контакте с к о р о й в ы в е т р и в а ­
ния с у л ь ф и д и з и р о в а н н ы х п о р о д ( М а р ц и а л ь н ы е воды, К а р е л и я ) ,
2) в ы с о к о ж е л е з и с т ы е ( F e д о 100 м г / д м и б о л е е ) к и с л ы е воды с
минерализацией от 1 до 80 г / д м сульфатного состава в зоне о к и с ­
л е н и я с у л ь ф и д н ы х руд, с о д е р ж а щ и е т а к ж е а л ю м и н и й и другие
металлы (п. Гай, О р е н б у р г с к а я область):
2+
3
1
3
С.-Петербург, скв. Полюстровская, глуб. 41 м, гравийные пески Q
НС0
Fe 0,033 М 0,3-
3
46, С134, S 0
4
26
С а 3 8 , Fe34
Курорт Марииальные воды, скв. 3-К, глуб. 6 м, морена Q, пиритизированные
сланцы PT
S O , 71, Н С О , 26
Fe0,095 М 0 , 7 рН6,5г5,0;
M g 3 6 , Fe31, С а 2 8
4
J
Курорт Гай, скв. 47, глуб. 50 м, кварцевые песчаники J
2
S O , 80, CI 19
Fe 0,155 M 4,2
*
р Н 5,4.
N a 5 4 , Al 17, F e l 4
О б о г а щ е н и е железом вод этой группы за счет о к и с л е н и я или
выщелачивания железистых минералов происходит при активном
участии р а з л и ч н ы х т и о н о в ы х и ж е л е з о б а к т е р и й .
Углекислые железистые воды ш и р о к о р а с п р о с т р а н е н ы в г о р н о ­
складчатых областях ( К а в к а з , К а р п а т ы , Забайкалье и др.) и облас­
тях с о в р е м е н н о г о вулканизма. О н и часто я а л я ю т с я т е р м а л ь н ы м и .
И о н н ы й состав, м и н е р а л и з а ц и я и с о д е р ж а н и е металлов р а з л и ч н ы
и определяются к о н к р е т н ы м и условиями и глубиной ц и р к у л я ц и и .
Обогащение железом происходит в процессе гидролитического и
т е р м о х и м и ч е с к о г о р а з л о ж е н и я его м и н е р а л о в , " у д е р ж а н и ю " ж е ­
леза в растворе способствует углекислота т е р м о м е т а м о р ф и ч е с к о г о
или м а г м а т и ч е с к о г о генезиса. В этих водах н а б л ю д а ю т с я в ы с о к и е
к о н ц е н т р а ц и и бора (более 100 м г / д м ) , м ы ш ь я к а , сурьмы (более
I м г / д м ) , а л ю м и н и я и др.
3
3
1
Так называемые "купоросные" шахтные воды могут содержать десятки
граммов железа на 1 л (Медногорск).
http://geoschool.web.ru
Глава 15. М и н е р а л ь н ы е и т е р м а л ь н ы е п о д з е м н ы е воды
361
Мышьяковистые
и мышьяковые воды в качестве о с н о в н ы х б а л ь ­
неологических компонентов содержат соответственно м ы ш ь я к о ­
вистую ( H A s 0 ) и л и м ы ш ь я к о в у ю ( H A s 0 ) кислоту и продукты
их д и с с о ц и а ц и и . О н и встречаются в г о р н о - с к л а д ч а т ы х областях, в
том числе в зонах современного вулканизма (Кавказ, Урал, Д а л ь н и й
Восток, С а х а л и н , К а м ч а т к а ) и по условиям ф о р м и р о в а н и я могут
б ы т ь разделены на две о с н о в н ы е группы: у г л е к и с л ы е м ы ш ь я к о ­
вистые и к и с л ы е м ы ш ь я к о в ы е в коре в ы в е т р и в а н и я м е с т о р о ж д е ­
ний м ы ш ь я к о в ы х руд.
3
4
3
3
Углекислые м ы ш ь я к о в и с т ы е воды развиты в альпийской и тихо­
о к е а н с к о й зонах, содержат р а з л и ч н ы е (от первых д о 120 м г / д м )
количества м ы ш ь я к а , в ы с о к и е (до 9,0 г / д м ) к о н ц е н т р а ц и и угле­
кислоты, бора (до 2 г / д м — С и н е г о р с к , о. Сахалин), значительные
к о н ц е н т р а ц и и H S i 0 , Fe, Br, I. С о с т а в глубоких т е р м а л ь н ы х вод
х л о р и д н ы й н а т р и е в ы й ; п р и с м е ш е н и и с п р е с н ы м и — температура
вод падает, а в составе возрастает доля Н С О " и С а . Н а и б о л е е и з ­
в е с т н ы е м е с т о р о ж д е н и я : С и н е г о р с к на С а х а л и н е , Ч в и ж и п с и на
Кавказе и д р .
3
3
3
4
4
+
П о С Р . К р а й н е в у и В.М. Ш в е ц у , углекислые м ы ш ь я к о в и с т ы е
воды ф о р м и р у ю т с я при н а л и ч и и : 1) о б о г а щ е н н ы х м ы ш ь я к о м оса­
дочных, вулканогенно-осадочных или вулканических пород;
2) т е р м о м е т а м о р ф и ч е с к и х процессов на глубине, способствующих
отгонке м ы ш ь я к а ; 3) п р е о б л а д а н и я натрия в к а т и о н н о м составе
подземных вод, поскольку х о р о ш о растворим и м е н н о гидроарсенат
натрия. Реальгар-аурипигментная м и н е р а л и з а ц и я в зонах д р о б л е ­
н и я ( С и н е г о р с к и д р . ) , с к о т о р о й т р а д и ц и о н н о с в я з ы в а л и генезис
м ы ш ь я к о в и с т ы х вод, э т и м и авторами считается в т о р и ч н о й по от­
н о ш е н и ю к водам.
Киаше рудничные мышьяковые воды, с в я з а н н ы е с з о н о й о к и с л е ­
н и я рудных, в т о м ч и с л е а р с е н о п и р и т о в ы х м е с т о р о ж д е н и й , х о ­
л о д н ы е , сульфатного состава. К о н ц е н т р а ц и и м ы ш ь я к а в н и х могут
достигать 200—300 м г / д м и сочетаются с в ы с о к и м и к о н ц е н т р а ­
ц и я м и Fe (Гай, Б л я в и н с к о е ) , А1, М п и других металлов в з а в и с и ­
мости от состава в ы щ е л а ч и в а е м ы х руд.
Воды с повышенным содержанием органических веществ. П р и ч и н ы
а к т и в н о г о л е ч е б н о г о воздействия м и н е р а л ь н ы х вод этой б а л ь н е о ­
л о г и ч е с к о й группы на ч е л о в е ч е с к и й о р г а н и з м п р и з а б о л е в а н и я х
желудка, п е ч е н и , почек н е д о с т а т о ч н о изучены, н е с м о т р я на более
чем вековой с р о к п р и м е н е н и я вод и с т о ч н и к а Н а ф т у с я на курорте
Трускавец (Западная Украина). Его холодные (7°С) гидрокарбонат­
ные м а г н и е в о - к а л ь ц и е в ы е воды с м и н е р а л и з а ц и е й 0,5—1,0 г / д м ,
не отличающиеся по своему м и к р о к о м п о н е н т н о м у составу от о б ы ч 3
3
http://geoschool.web.ru
Часть IV. И с п о л ь з о в а н и е и о х р а н а п о д з е м н ы х вод
362
ных ф у н т о в ы х вод, содержат комплекс разнообразных органических
веществ (гуминовые вещества, ж и р н ы е , нафтеновые кислоты, биту­
мы, ф е н о л ы и др.) до 120 м г / д м и имеют запах керосина и н е ф т и .
К н а с т о я щ е м у в р е м е н и в р а й о н е Трускавца изучено д о восьми
т и п о в и о н н о г о состава м и н е р а л ь н ы х вод — от п р е с н ы х г и д р о к а р ­
б о н а т н ы х кальциевых д о р а с с о л ь н ы х (400 г/л) х л о р и д н ы х н а т р и е ­
вых. О н и в с к р ы в а ю т с я с к в а ж и н а м и в б и т у м и н о з н ы х п е с ч а н и к а х
миоцена, переслаивающихся с глинами в своде б р а х и а н т и к л и н а л и ,
где о т м е ч е н ы м н о г о ч и с л е н н ы е н е ф т е - и г а з о п р о я в л е н и я .
Бромные, йодные и йодобромные воды. К этой бальнеологической
группе о т н е с е н ы воды, к о т о р ы е по своему составу п р и г о д н ы для
питья (в ч а с т н о с т и , и м е ю т м и н е р а л и з а ц и ю не более 10—15 г / д м )
и содержат брома не менее 25 и (или) йода не менее 5 м г / д м даже
при и с к у с с т в е н н о м р а з б а в л е н и и их п р е с н ы м и водами. П р и м е н я ­
ются для л е ч е н и я з а б о л е в а н и й с о с у д и с т о й и н е р в н о й с и с т е м ы .
М е с т о р о ж д е н и я й о д о б р о м н ы х вод о б ы ч н о п р и у р о ч е н ы к глубо­
к и м частям а р т е з и а н с к и х структур. Их состав х л о р и д н ы й н а т р и е ­
вый или к а л ь ц и е в ы й , м и н е р а л и з а ц и я от 10 до 540 г / д м , газовый
состав м е т а н о в ы й , реже с е р о в о д о р о д н о - или а з о т н о - м е т а н о в ы й .
Бром и йод содержатся т а к ж е в н е к о т о р ы х с у л ь ф и д н ы х водах:
3
3
3
3
Курорт Усть-Качка (Пермская область), скв. 4, глуб. 1312 м,
песчаники, аргиллиты С,
Н Х Н , В г 0 , 7 I 0,01 М 271
2
4
рН 6,0 г 2 3
01,15.
(Na + К ) 7 2 , С а 2 0
В областях м о л о д о г о и с о в р е м е н н о г о в у л к а н и з м а при н а л и ч и и
галогенных ф о р м а ц и й встречаются углекислые воды с н е в ы с о к и м
(до 220 м г / д м ) с о д е р ж а н и е м б р о м а и в ы с о к и м (до 50 м г / д м )
йода. Т а к о в ы , н а п р и м е р , редкие по составу у г л е к и с л ы е р а с с о л ы
Малого Кавказа.
Радоновые воды. П о д з е м н ы е воды о т н о с я т с я к ф у п п е л е ч е б н ы х
р а д о н о в ы х , если о н и содержат с в ы ш е 5 н К и / д м радона. Генезис
радона в п о д з е м н ы х водах связан с н а л и ч и е м в в о д о в м е щ а ю щ и х
породах м и н е р а л о в радия в к о р е н н о м залегании ( р а с с е я н н а я или
ж и л ь н а я радиевая м и н е р а л и з а ц и я ) или в п е р е о т л о ж е н н о м с о с т о я ­
нии. С п е ц и ф и ч е с к и м источником радона являются так называемые
" э м а н и р у ю щ и е к о л л е к т о р ы " — породы, о б о г а щ е н н ы е м и н е р а л а м и
радия на участках с о р б ц и о н н ы х , т е р м о г е о х и м и ч е с к и х барьеров и
(или) а к к у м у л и р у ю щ и е радон благодаря высокой пористости (тра3
3
1
3
1
Применение радоновых вод особенно эффективно при лечении различных
заболеваний опорно-двигательного аппарата.
http://geoschool.web.ru
Глава 15. М и н е р а л ь н ы е и т е р м а л ь н ы е п о д з е м н ы е воды
363
вертины, с о в р е м е н н ы е железистые осадки, м и к р о п о р и с т ы е извест­
н я к и и др.).
Генетическая связь радона с м и н е р а л а м и радия обусловливает
з а к о н о м е р н о с т и их р а с п р о с т р а н е н и я главным образом в пределах
г о р н о - с к л а д ч а т ы х о б л а с т е й . Это п р е ж д е всего м а с с и в ы к и с л ы х
изверженных пород и р а й о н ы погребенных кислых интрузий, пе­
рекрытых о с а д о ч н ы м и породами, н а п р и м е р периферические части
м е ж г о р н ы х впадин. Р а д о н о в ы е воды ш и р о к о развиты в пределах
Балтийского щита, в Уральской, Кавказской, Алтае-Саянской,
З а б а й к а л ь с к о й и других г о р н о - с к л а д ч а т ы х областях.
Выделяют три о с н о в н ы х т и п а м е с т о р о ж д е н и й р а д о н о в ы х вод:
I) в коре выветривания кислых изверженных пород (грунтовые тре­
щ и н н ы е воды): 2) в глубоких частях зон тектонических нарушений,
часто с " р а с т е к а н и е м " в р а с п о л о ж е н н ы х в ы ш е э к р а н и р о в а н н ы х
блоках т р е щ и н о в а т ы х пород или рыхлых о т л о ж е н и я х ( т р е щ и н н о жильные, т р е щ и н н ы е , пластово-трещинные, иногда пластовые
воды); 3) в э м а н и р у ю щ и х коллекторах.
В м е с т о р о ж д е н и я х первого типа радон является е д и н с т в е н н ы м
к о м п о н е н т о м , о п р е д е л я ю щ и м их л е ч е б н у ю ц е н н о с т ь . Э т и р а ­
д о н о в ы е воды я в л я ю т с я к и с л о р о д н о - а з о т н ы м и , о н и слабо м и н е ­
р а л и з о в а н ы , и м е ю т г и д р о к а р б о н а т н ы й или с у л ь ф а т н ы й с о с т а в .
С о д е р ж а н и е р а д о н а о б ы ч н о н е в ы с о к о (5—70 н К и / д м ) . Б о л е е
глубокие с к в а ж и н ы в этих районах дают воду с с о д е р ж а н и е м ра­
д о н а до 470 н К и / д м (курорт Увельды в Ч е л я б и н с к о й области).
В водах м е с т о р о ж д е н и й второго и третьего т и п о в , т.е. в т е р ­
мальных водах глубоких частей гидрогеологического разреза, ра­
дон о б ы ч н о с о д е р ж и т с я в к о м п л е к с е с д р у г и м и т е р а п е в т и ч е с к и
а к т и в н ы м и к о м п о н е н т а м и , прежде всего с С 0 , H S i 0 , F c и др.
Эти воды о д н о в р е м е н н о п р и н а д л е ж а т к н е с к о л ь к и м б а л ь н е о л о г и ­
ческим группам и, сочетая с в о й с т в е н н ы е им л е ч е б н ы е свойства,
являются особенно ценными.
Пятигорские углекислые термальные воды, разгружающиеся по
тектоническим т р е щ и н а м крупного лакколита (гора М а ш у к ) , о б о ­
гащаются радоном во вторичных " э м а н и р у ю щ и х коллекторах" —
травертинах. Последние формируются на участках резкого падения
скоростей ф и л ь т р а ц и и и температуры подземных вод. С о д е р ж а н и е
радона в этих водах достигает 250 н К и / д м , радия — 4,2 • 10
г/дм .
Курорт Белокуриха в Алтайском крае использует азотные к р е м ­
нистые термы с н и з к о й (0,3 г / д м ) м и н е р а л и з а ц и е й , з а л е г а ю щ и е
на глубине до 1000 м.
Месторождение представляет собой зону " р а с т е к а н и я " на участ­
ке р а з г р у з к и глубоких т р е щ и н н о - ж и л ь н ы х вод п о р ф и р о в и д н ы х
3
3
2 +
7
3
3
http://geoschool.web.ru
4
4
11
3
Часть IV. И с п о л ь з о в а н и е и о х р а н а п о д з е м н ы х вод
364
г р а н и т о в по к р у п н о м у р е г и о н а л ь н о м у разлому. И с т о ч н и к о м ра­
дона является рассеянная радиевая минерализация в гранитах,
поэтому с о д е р ж а н и е радона в б е л о к у р и х и н с к и х термах н е в е л и к о
(до 25 н К и / д м ) .
Кремнистые термы. О б ш и р н а я группа кремнистых терм в к л ю ­
чает азотные, метановые и углекислые термальные воды, в которых
основным бальнеологическим компонентом является кремнекислота ( H S i O > 5 0 м г / д м ) . Э т и в о д ы п р и м е н я ю т с я п р и л е ч е н и и
к о ж н ы х , н е р в н ы х , сосудистых з а б о л е в а н и й , б о л е з н е й суставов и
м ы ш ц , тромбофлебитов и др.
Азотные кремнистые термы о б л а д а ю т о п р е д е л е н н ы м и , в с р а в ­
н е н и и с д р у г и м и т и п а м и м и н е р а л ь н ы х вод, о с о б е н н о с т я м и х и м и ­
ческого состава: 1) о т н о с и т е л ь н о н и з к о й ( о б ы ч н о д о 1,5 г / д м )
м и н е р а л и з а ц и е й ; 2) с и л ь н о ш е л о ч н о й ( р Н до 9,6—9,8) р е а к ц и е й ;
3) п р е о б л а д а н и е м н а т р и я в к а т и о н н о м и г и д р о к а р б о н а т - и (или)
с у л ь ф а т - и о н о в в а н и о н н о м составе; 4) н а л и ч и е м ф т о р а . О н и р а с ­
пространены в горно-складчатых областях, где образуют месторож­
д е н и я трех типов: 1) т р е щ и н н ы е з о н ы вдоль к р у п н ы х разломов в
к р и с т а л л и ч е с к и х массивах, в том числе з о н " р а с т е к а н и я " при н а ­
л и ч и и т е к т о н и ч е с к и х б л о к о в , " э к р а н и р у ю щ и х " ц и р к у л я ц и ю (ку­
рорт Кульдур в Х а б а р о в с к о м крае и др.); 2) пластовые г о р и з о н т ы
в п е р и ф е р и й н ы х частях п р е д г о р н ы х и м е ж г о р н ы х впадин (метан о в о - а з о т н ы е т е р м ы К а в к а з а ) ; 3) т р е щ и н н ы е к о л л е к т о р ы в э ф ф у ­
з и в н ы х породах областей с о в р е м е н н о г о и н е д а в н е г о в у л к а н и з м а
( П а р а т у н с к и е и с т о ч н и к и на К а м ч а т к е ) :
3
3
2
3
1
3
Тбилиси, "Старые термы", скв. 8, глуб. 82 м, туфогенные отложения Р
( N C H ) H S 0,014, H S i 0 0,034, М 0,3
2
4
2
2
С0
3
2
39 С1 33 S 0 19
4
3
Метановые кремнистые термы ф о р м и р у ю т с я в глубоких частях
а р т е з и а н с к и х структур в в о с с т а н о в и т е л ь н ы х у с л о в и я х и г е н е т и ­
чески с в я з а н ы с н е ф т е н о с н ы м и или б и т у м и н о з н ы м и п о р о д а м и .
Они характеризуются хлоридиым натриевым составом, обычно
высокой минерализацией, щелочной реакцией, наличием брома
и йода ( М а й к о п и др.).
М е т а н п р о д у ц и р у е т с я м е т а н о о б р а з у ю щ и м и б а к т е р и я м и на
п о с л е д н е м этапе с л о ж н о г о м н о г о с т у п е н ч а т о г о процесса п р е о б р а ­
зования микрофлорой природных биополимеров нефтяного и би­
тумного р я д о в .
1
Исключением является чукотский тип кремнистых терм хлоридного состава
с высокой (до 35 г/дм ) минерализацией.
3
http://geoschool.web.ru
Глава 15. М и н е р а л ь н ы е и т е р м а л ь н ы е п о д з е м н ы е воды
365
Углекислые кремнистые термы распространены в горно-складча­
тых областях, в районах наличия на глубине очагов т е р м о м е т а м о р ­
физма, они обычно имеют сульфатно-гидрокарбонатный натрие­
вый состав, щ е л о ч н у ю р е а к ц и ю ( П я т и г о р с к , Ж е л е з н о в о д с к и др.).
Генезис к р е м н е к и с л о т ы во всех типах к р е м н и с т ы х вод, а также
их щ е л о ч н а я р е а к ц и я с в я з а н ы с гидролизом с и л и к а т о в щ е л о ч н ы х
металлов при высоких давлениях и температурах, у с и л и в а ю щ и м с я
при н а л и ч и и в водах N a C l , N a H C 0 , N a S 0 и д р .
3
2
4
15.2. Промышленные воды
Промышленными
н а з ы в а ю т с я воды, с о д е р ж а щ и е п о л е з н ы е к о м ­
п о н е н т ы (бром, й о д , б о р и др.) в количествах, о б е с п е ч и в а ю щ и х
их р е н т а б е л ь н у ю добычу и переработку с и с п о л ь з о в а н и е м с о в р е ­
м е н н ы х т е х н о л о г и й в качестве с ы р ь я д л я х и м и ч е с к о й п р о м ы ш ­
л е н н о с т и . К р о м е у к а з а н н ы х э л е м е н т о в , из п о д з е м н ы х вод и з в л е ­
кают л и т и й , р у б и д и й , ц е з и й , к а л и й , м а г н и й , п о в а р е н н у ю соль,
сульфат натрия, радий, с т р о н ц и й , гелий и д р . В России подземные
воды и с п о л ь з у ю т с я к а к г и д р о м и н е р а л ь н о е с ы р ь е на йод (100%)
и бром (60—70%) о б щ е г о производства.
О п р е д е л е н и е п р о м ы ш л е н н ы х вод п о д ч е р к и в а е т , в о - п е р в ы х ,
необходимость специальной оценки и обоснования минимальных
концентраций полезных компонентов, позволяющих квалифици­
ровать те или и н ы е воды к а к п р о м ы ш л е н н о е сырье для каждого
к о н к р е т н о г о р а й о н а или участка, в связи с чем устанавливаются
р а з н ы е а б с о л ю т н ы е в е л и ч и н ы этих п о к а з а т е л е й д л я р а й о н о в с
р а з л и ч н ы м и геолого-гидрогеологическими и э к о н о м и к о - г е о г р а ф и ­
ч е с к и м и у с л о в и я м и ; в о - в т о р ы х , н е о б х о д и м о с т ь п е р е с м о т р а этих
показателей в зависимости от уровня развития технических средств,
т е х н о л о г и и п р о и з в о д с т в а , с п р о с а на д а н н ы й вид м и н е р а л ь н о г о
сырья и т.д.
О р и е н т и р о в о ч н ы е т р е б о в а н и я к п р о м ы ш л е н н ы м водам, о с н о ­
ванные на анализе з а к о н о м е р н о с т е й их р а с п р о с т р а н е н и я , условий
з а л е г а н и я и т е х н и к о - э к о н о м и ч е с к о й о ц е н к и в о з м о ж н о с т е й их
э к с п л у а т а ц и и в р а з л и ч н ы х районах, п р и в е д е н ы в табл. 15.3 и 15.4
( Б о н д а р е н к о , К у л и к о в , 1984).
Важность экономического аспекта использования минераль­
н ы х вод в к а ч е с т в е с ы р ь е в о й б а з ы о б у с л о в л е н а р я д о м о б с т о я ­
тельств. Д а ж е п р и в ы с о к о м с о д е р ж а н и и п о л е з н ы х к о м п о н е н т о в
добыча и использование сырья может оказаться экономически
н е ц е л е с о о б р а з н о й из-за б о л ь ш о й глубины з а л е г а н и я , с л о ж н о с т е й
очистки и у т и л и з а ц и и отходов производства, удаленности от
потребителя, отсутствия т р а н с п о
