Строение подземной гидросферы (стр. 3 из 5)
Водой в надкритическом состоянии называются подземные воды с температурой и давлением выше критических. Для чистой воды критическая температура равна 374°С, давление − 2,2∙104 кПа.
При высоких концентрациях растворенных веществ (подземные растворы) критическая температура возрастает до 450°С. давление − до 3,5∙104 кПа. При этих условиях вода характеризуется пониженными значениями вязкости, уменьшением величины рН, повышенной электропроводностью. В связи с этим вода в надкритическом состоянии приобретает свойства активного растворителя и при наличии повышенных концентраций металлов может являться одним из факторов гидротермального рудообразования (Крайнов, 2004).
По существующим представлениям вода в надкритическом состоянии представляет собой газово-жидкий раствор (флюид), образование которого связано с кристаллизацией магм и с процессами термо- и динамометаморфизма.
При снижении давления «надкритическая» вода переходит в «нормальную» жидкость и пар (пароводяную смесь), что по существующим представлениям сопровождается увеличением ее объема в 1,5−2,0 раза (Всеволожский, 1980).
Движение подземных вод в земной коре является составной частью общего круговорота воды на планете. В то же время с геологических позиций движение воды в земных недрах, включающее простые (механическая, физическая, химическая) и сложные формы движения (биологическая, техногенная), переходы воды из одного фазово-агрегатного состояния в другое и процессы взаимодействия воды с горными породами, рассматривается в настоящее время в качестве важнейшей составляющей геологической формы движения материи [1, 3, 4].
В качестве основных видов единой геологической формы движения материи применительно к движению собственно подземных вод обычно рассматриваются два основных вида круговорота воды в земной коре − гидрогеологический и геологический (рис. 4).
Рис. 4 Взаимосвязь гидрогеологического и геологического круговоротов воды в земных недрах (по Е.В. Пиннекеру, 1980)
2. Геологическая деятельность подземных вод
2.1 Разрушительная деятельность
В противоположность водам поверхностным подземные воды очень активны в гидрохимическом отношении, т.е. являются сильными растворителями различных горных пород и минералов. Одновременно с процессами разрушения огромных толщ пород, возникновением пустот, миграцией и выносом солей происходит и созидательный процесс – образование новых минеральных агрегатов; из-за испарения водных растворов возникает засоление почв, в областях, избыточно увлажненных, происходит заболачивание – возникают торфяники (Толстой, 1976).
В результате разрушения и растворения пород образуются карстовые формы, просадки, иногда оползни. Из новообразований следует отметить возникновение различных натечных форм сталактитов, сталагмитов, отложение хемогенных осадков, известкового туфа, гажи, травертина, гейзерита, образование грязевых вулканов и т.д.
Выщелачивание подземными водами легкорастворимых пород (карбонаты, гипс, соли) с образованием на глубине пустот, а на поверхности воронок называется карстом. Наименование этого своеобразного явления произошло от названия известнякового плато в Югославии – Карст.
Для развития карста необходимы следующие условия:
1)наличие значительной толщи легкорастворимых трещиноватых пород без прослоев глин;
2) выщелачиваемый массив должен быть достаточно высоким, его поверхность горизонтальна, чтобы вода могла бы застаиваться и просачиваться внутрь по трещинам;
3) уровень подземных вод должен быть глубоким, чтобы воды имели достаточно пространства для вертикального движения
Карст характеризуется своеобразными формами рельефа – воронками, колодцами, пещерами. Например, блюдцеобразные воронки широко распространены в Татарстане, принося большой вред сельскому хозяйству. Пещер много в Горном Крыму, на Кавказе, в Приуралье (Кунгурская пещера), в Венгрии, во Франции.
Оползнями называют смещение земляных масс под влиянием сил тяжести без нарушения связности пород и движение их по склону. Поверхностные смещения пород с нарушением структуры и текстуры называют оплывами. Главными причинами образования оползней являются:
1) подмыв берега рекой или морем (боковая эрозия);
2) большое количество атмосферных осадков;
3) механический вынос мелких частиц подземными и поверхностными водами (механическая суффозия);
4) изменение влажности глинистых пород на склоне;
5) тектоническая трещиноватость;
6) процессы выветривания;
7) землетрясения;
8) деятельность человека
Оползневые процессы изучаются специальными оползневыми станциями, расположенными в районах, подверженных оползням.
Вследствие подъема и испарения грунтовых вод в поверхностных отложениях возникают различные новообразования (кальцит, гипс) и происходит засоление почв. Засоление почв широко развито в областях с сухим климатом, слабым оттоком грунтовых вод, где проводится орошаемое земледелие.
Широко распространен в природе процесс, связанный с изменением водного режима почв из-за застаивания почвенных или поднятия грунтовых вод – заболачивание.
Происходит оно в районах избыточно влажных, с большим количеством атмосферных осадков, со слабым поверхностным стоком и близким залеганием к поверхности водоупорных слоев. Для борьбы с заболачиванием производятся сброс поверхностных вод и различные дренажные работы [2, 5, 8].
2.2 Созидательная деятельность
В местах выхода подземных вод, богатых углекислотой, часто образуются новообразования в виде отложений известкового туфа СаСО3.
Например, при обследовании в Республике Татарстан свыше 3600 родников оказалось, что в 75 из них происходит отложение известкового туфа. Воды, в которых происходит выпадение карбоната кальция, имеют плотный остаток от 250 до 484 мг/г, сильно насыщены CaCO3, температура их 5,5–6,0 °С. Расход незначителен до 10 л/с [2, 4].
Все родники, откладывающие известковый туф, располагаются там на высоте 2 м от основания коренного склона и приурочены к пермским отложениям. Углекислота находится в равновесии с Ca(HCO3)2 и Mg(HCO3)2. Очевидно, что нарушение устойчивости Ca(HCO3)2 происходит лишь в условиях выделения углекислого газа. Выделение же возможно в условиях усиленного испарения, а для последнего необходим некоторый перепад воды для возникновения вихревого (турбулентного) движения, что и наблюдается в местах выхода подземных вод вследствие нарушения устойчивости Ca(HCO3)2:
Ca(HCO3)2 → CaCO3 + H2O + CO2
Осадок Испарение и поглощение
растениями
На потолке и дне карстовых пещер нередко образуются сталактиты и сталагмиты – своеобразные натечные образования в виде колонн. Широко распространены они в различных пещерах стран СНГ, Франции, США [3, 7].
3. Условия формирования и залегания подземных вод каждой зоне
3.1 Учение о происхождении подземных вод
Первые попытки объяснить происхождение подземных вод были предприняты древнегреческими философами Платоном и Аристотелем. Платон (427-347 гг. до н.э.) предполагал образование их за счет морских соленых вод. При движении соленой воды в породах морская вода освобождается якобы от солей и в виде родников выходит на поверхность уже пресной. Аристотель (384-322гг. до н.э.) считал, что подземные воды образуются в результате сгущения холодного воздуха в пустотах горных пород [2, 5].
Римлянин Марк Витрувий Полий (1в. до н.э.) предполагал образование подземных вод за счет поглощения дождевых и снеговых вод. Не так давно стало известно о труде персидского ученого Каради (ум. в 1016 г.) — «Поиски скрытых под землей вод», где он изложил учение о подземных водах, которое вполне соответствует современным научным представлениям.
Впоследствии высказывались в основном представления о происхождении подземных вод либо за счет сгущения водяных паров на больших глубинах (Агрикола – XVI в.), либо за счет проникновения жидких поверхностных вод (инфильтрации) вглубь (М.В. Ломоносов).
В средние века в Европе все же преобладали античные идеи о морском происхождении подземных вод. Поэтому француз П. Перро, доказавший путем измерений происхождение подземных вод из атмосферных осадков, боясь непонимания, свою книгу «Происхождение источников» опубликовал в 1674 г. под чужим именем. С этого момента начиналось развитие науки о подземных водах. А имя этой науке дал Ж. Ламарк (1744 — 1829) — французский естествоиспытатель, издавший в 1802 г. книгу «Гидрогеология, или исследование влияния воды на поверхность земного шара».
Подземные воды исследовали многие российские гидрогеологи. В 1886 г. в России появилась первая официальная должность гидрогеолога, учрежденная Таврическим губернским земством, которую занял Н. А. Головкинский (1834 — 1897) — специалист по подземным водам Причерноморья.
В 1902 г. австрийским геологом Э. Зюссом была предложена гипотеза ювенильного происхождения подземных вод (ювенильные воды) за счет процессов синтеза водорода и кислорода в магматических расплавах (мантийное происхождение подземных вод).
В 1902–1908 гг. Н.И. Андрусовым, Г. Гефером и А.Ч. Лейном независимо друг от друга предложена гипотеза седиментогенного происхождения подземных вод за счет «захоронения» морских вод при процессах образования донных осадков и их последующего «отжатия» при уплотнении [1, 3].
Во второй половине XX в. в России вышли фундаментальные труды по гидрогеологии: «Гидрологическая энциклопедия» и 50-томный труд «Гидрогеология СССР», а также подготовлена гидрогеологическая карта мира. Гидрогеология превратилась из учения о подземных водах в науку о подземной гидросфере [8].