Геологическая деятельность подземных вод

СОДЕРЖАНИЕ: ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ПОДЗЕМНЫХ ВОД План: ВВЕДЕНИЕ 2 1. ВОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД 3 2. ВИДЫ ВОДЫ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ 5 3. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ПОДЗЕМНЫХ ВОД 7

ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

План:

ВВЕДЕНИЕ.. 2

1. ВОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД.. 3

2. ВИДЫ ВОДЫ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ.. 5

3. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ПОДЗЕ/Щ-ШХ ВОД.. 7

4. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД.. 10

6. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД.. 20

7. МИНЕРАЛЬНЫЕ ВОДЫ... 23

8. ОПОЛЗНИ.. 25

ЛИТЕРАТУРА.. 35

ВВЕДЕНИЕ

К подземным подам относятся все воды, находящиеся в порах и трещинах горных пород. Они широко распространены в земной коре, и изучение их имеет большое значение при решении вопросов: водоснаб­жения населенных пунктов и промышленных предприятий, гидротехни­ческого, промышленного и гражданского строительства, проведения мелиоративных мероприятий, курортно-санаторного дела и т. д.

Велика геологическая деятельность подземных вод. С ними связаны карстовые процессы в растворимых горных породах, оползание земля­ных масс по склонам оврагов, рек и морей, разрушение месторождений полезных ископаемых и образование их в новых местах, вынос различ­ных соединений и тепла из глубоких зон земной коры.

Подземные воды, их происхождение, распространение, миграция, качественные и количественные изменения во времени и геологическая деятельность являются предметом изучения особой науки — гидро­геологии, одной из ветвей геологии.

1. ВОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД

В формировании подземных вод большое значение имеет водопро­ницаемость горных пород, т. е. способность горной породы пропускать воду. Наблюдения показывают, что в одних местах, где развиты глины, атмосферные осадки застаиваются на поверхности и испаряются, в других районах, сложенных песками, достаточно быстро проникают в глубину. Еще быстрей просачиваются осадки в галечниках.

По степени проницаемости горные породы подразделяются на 3 группы:

1) водопроницаемые, к которым относятся пески, гравий, галечники, трещиноватые песчаники, конгломераты и другие скальные породы, трещиноватые и захарстованные известняки, доломиты и другие растворимые породы;

2) слабопроницаемые — супеси, легкие суглинки, лёсс, нераз­ложившийся торф и др.;

3) относительно водонепроницаемые, или водоупор­ные, — глины, тяжелые суглинки, хорошо разложившийся торф инетрещиноватые массивные кристаллические и сцементированные оса­дочные горные породы.

Водопроницаемость горных пород обусловлена либо тем, что порода рыхлая и зернистая (например, песок, гравий), и вода в этом случае может просачиваться по промежуткам (порам) между отдельными зернами, либо тем, что породы хотя и массивные и сцементированные (гранит, известняк), но разбиты трещинами, по которым и происходит перемещение воды. V

Под пористостью понимают отношение объема пор в данном образце породы ко всему объему породы: , или в процентах , где n — пористость пород; Vn — объем пор в образце породы: V — объем всего образца. Следует отметить, что не всегда значительная пори­стость обеспечивает свобод­ное проникновение воды. Так, например, глины обла­дают значительной пори­стостью, достигающей 50 — 60%, но в то же время прак­тически являются водоне­проницаемыми. Это объяс­няется тем, что поры в гли­нах чрезвычайно тонки (суб-капнлляры), и вода при дви­жении в них испытывает огромное сопротивление, соз­даваемое поверхностным на­тяжением. Обычные же пес­ки, имеющие в среднем по­ристость 30—35%, хорошо проницаемы для воды. Чем крупнее зерна, слагающие рыхлую обломочную породу, тем большей водопроницае­мостью она обладает. Га­лечники с крупным песком обладают в среднем пори­стостью около 20% и харак­теризуются наибольшей водопроницаемостью. Следо­вательно, водопроницае­мость рыхлых обломочных горных пород зависит не от количества пор, а от размера и формы слагающих породу зерен и от плотности сложения их.

Рис. 1. Характер водопроницаемых пород:

А—пористые породы; Б— трещино­ватые породы; В — размеры водопроводящиx трещин; Г — размеры и плотность расположения зерен в по­ристых городах: 1— водонепронищаемые породы; 2 — породы, насыщен­ные подом

Примеры различной пористости породы в зави­симости от плотности сложения зерен и размеров трещин видны на рис. 1. От состава рыхлых горных пород зависит их влагосмкость, т. е. способность вмещать и удерживать в себе то или иное количество воды. Различают полную влагоемкость, когда вода заполняет все поры (включая и тонкие капиллярные) горной породы, и макси-мальную молекулярную влагоемкость, показывающую ко­личество воды, удерживаемой в породе силами молекулярного сцепле­ния после того, когда вся гравитационная вода стечет из породы. Разность между полной и максимальной молекулярной влагоемкостыо называют водоотдачей горной породы. Для практических целей важно знать удельную водоотдачу — количество свободной во­ды, которое можно получить из 1 куб. м породы. Наибольшая водоот­дача у крупнозернистых рыхлых пород (пески, гравий). Влагоемкие глины воду практически не отдают.

Водопроницаемость трещиноватых пород зависит от размера и характера трещин.

Если подземные воды движутся по порам в рыхлых породах, они называются поровыми, по трещинам — трещинными. Если же помимо трещин, в горных породах развиты карстовые пещеры и другие подземные каналы, то подземные воды, циркулирующие в них, назы­вают трещинно-карстовыми, или просто карстовыми.

2. ВИДЫ ВОДЫ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ

В современной литературе приводятся различные классификации видов воды в горных породах. В СССР широко известна классификация, предложенная А. Ф. Лебедевым, который на основании тщательных экспериментальных и полевых исследований установил следующие виды воды в горных породах (рис. 2).

1. Вода в виде пара (парообразная) содержится в воздухе, занимающем свободные от жидкой воды поры и трещины в горных породах. Она находится в динамическом равновесии с другими видами воды и с парами воды в атмосфере. При определенных условиях паро­образная вода конденсируется.

2. Гигроскопическая вода образуется в том случае, когда молекулы парообразной воды адсорбируются (лат. adsorbtio — поглощение) на поверхности минеральных частиц горных пород. Гигроскопи­ческая вода облекает частицы породы одномолекулярной тонкой плен­кой и прочно удерживается на их поверхности молекулярными и элект­рическими силами и может быть удалена при нагревании до температур не менее 105—110°.

3. Пленочная вода образует вокруг частиц горной породы и поверх гигроскопической воды более толстую пленку в несколько слоев молекул. Пленочная вода может передвигаться от одной частицы к дру­гой. Если толщина пленок у соседних частиц различная, то происходит медленное перемещение воды от частиц с большей толщиной пленки к частицам с меньшей пленкой до тех пор, пока пленки не станут одина­ковыми по толщине.

Как и гигроскопическая, пленочная вода содержится в большом количестве в глинистых породах и в меньшем — в песчаных.

4. Капиллярная вода заполняет частично или полностью тонкие поры и трещины в горных породах и удерживается в них силами поверхностного натяжения. Эта вода поднимается по тонким капилля­рам снизу вверх от уровня подземных вод. Чем меньше диаметр частиц, слагающих горную породу, тем мельче диаметр пор и тем больше высо­та капиллярного поднятия. В суглинках высота капиллярного поднятия может достигать 2 м и более, в крупнозернистых песках — всего не­скольких сантиметров.

5. Капельножидкая (свободная) гравитационная -до да, способная свободно передвигаться по порам, трещинам и дру­гим пустотам в горных породах под влиянием силы тяжести. Она может быть подразделена на воду, полностью заполняющую поры и трещины в горных породах, образующую горизонт подземных вод, и воду, проса­чивающуюся сверху вниз в зоне аэрации (фр. aeration — воздух), т. е. в зоне, расположенной выше подземных вод, где в горных породах на­ходится воздух. На рис. 2 видно, что при увеличении влажности пород и толщины пленки на по­верхности минеральных частиц горных пород силы энергетиче­ской связи их уменьшаются и в конце концов наступает момент, когда эти силы не в состоянии удерживать пленочную воду и часть ее будет переходить в ка­пельножидкую и просачиваться сверху вниз.

6. Вода в твердом со­стоянии в виде льда, присут­ствует в горных породах, име­ющих отрицательную температу­ру (ниже 0°). Лед может быть в виде отдельных микрокристал­лов, тонких пленок или в виде прослоев чистого льда. Особенно большое распространение лед имеет на обширных пространст­вах северной части Сибири и Аляски, в областях развития многолетнемерзлых горных пород, или «вечной мерзлоты». Вода в твердом виде возникает также ежегодно в других зонах в слое сезонного промерзания.

7. Кристаллизационная вода входит в состав ряда ми­нералов и принимает участие в строении их кристаллических ре­шеток. Примером тому является вода гипса CaSO4 -2H2 O. Она мо­жет быть удалена при нагрева­нии.

Рис. 2. Различные формы связи моле­кул воды с частицами породы (по А. Ф. Лебедеву):

1 — частицы почвы; 2—молекулы во­ды; а — гигроскопическая вода при не­полном насыщении; б—то же, при пол­ном насыщении; в и г — пленочная во­да: частица г при полном молекулярном насыщении с пленкой максимально воз­можной толщины; пленочная вода дви­жется налево до выравнивания толщи­ны пленки у обеих частиц; д — грави­тационная вода, образующая каплю, ко­торая стекает вниз под влиянием силы тяжести

За последние годы в связи с накоплением новых данных экспериментальных и полевых иссле­дований классификация А. Ф. Ле­бедева получила дальнейшее развитие в трудах многих ученых Советского Союза (Роде, 1952; Сергеев, 1971; Ломтадзе, 1970 и др.). Исходя из запросов инженерной геологии и грун­товедения, многие авторы де­тализируют представления о гигроскопической и пленочной воде в классификации А. Ф. Лебедева. Эти виды воды называют физически связанной водой. По ха­рактеру связи с минеральными частицами и по особенностям свойств связанная вода подразделяется на прочносвязанную воду (адсорбированную, гигроскопическую), удерживаемую па поверхности частиц породы силами, соответствующим и сотням и тысячам атмосфер, и рыхлосвязанную воду, слои которой более удалены от ча­стиц горной породы. Рыхлосвязанная вода удерживается в породах значительно меньшими силами и, но своим свойствам существенно от­личаясь от прочносвязанной, близка к свободной воде.

3. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

В зависимости от происхождения выделяются подземные воды не­скольких типов: 1) инфильтрационные, 2) конденсационные, 3) седиментогенные, 4) «ювенильные» (или магмогенные).

Инфильтрационные подземные воды образуются в результате просачивания (инфильтрации) в глубину атмосферных осадков, выпадающих па земную поверхность. Как известно, на земном шаре происходит непрерывный влагооборот, в котором принимают участие атмосферные, поверхностные и подземные воды. Вода океанов, морен, рек под влиянием солнечного тепла испаряется и насыщает пара­ми воздух. Воздушные массы, непрерывно перемещаясь, переносят пары в пределы суши, где они при благоприятных условиях сгущаются и вы­падают па поверхность Земли в виде атмосферных осадков. Здесь они расходятся по трем путям: одна часть стекает по склонам в ручьи и реки, которые несут свои воды в моря и океаны; вторая испаряется с поверхности Земли и третья просачивается в глубину, где и происходит накопление подземных вод. Последние в свою очередь движутся по направлению к рекам и морям. Одним из доказательств именно такого происхождения подземных вод (инфильтрации) может служить качест­венное и количественное изменение воды в колодцах во время дождли­вой погоды. Есть основание полагать, что инфильтрация — основной источник пополнения запасов подземных вод.

Конденсационные подземные воды. В некоторых климатических зонах, например в пустынях, наблюдаются явления, кото­рые трудно объяснить инфильтрационной теорией происхождения под­земных вод. При малом количестве атмосферных осадков с крайне не­равномерным их распределением во времени (по нескольку месяцев совсем не бывает дождя) и при огромном испаряемости в пустынях пег условий для пополнения подземных вод путем инфильтрации. Между тем на некоторой глубине от поверхности повсеместно в.пустынях обна­руживается слой влажных пород пли скопление подземной воды.

В 1877 г. немецкий гидролог О. Фольгер выступил с конденсацион­ной теорией происхождения подземных вод. По его представлениям, теплый воздух, содержащий водяные пары, проникая в более холодные горные породы, отдает им часть влаги путем конденсации. Автор считал свою теорию универсальной и отрицал возможность накопления под­земных вод в результате инфильтрации атмосферных осадков — «ни одна капля воды не происходит за счет капель дождевой воды».

Выдвинутая Фольгером теория не была подтверждена эксперимен­тальными данными и совершенно не вязалась с представлениями о ско­рости воздухообмена между атмосферой и верхними необводненными слоями литосферы, что вызвало резкие возражения против нее.

Конденсационная теория происхождения подземных вод была воз­рождена на совершенно новой основе русским исследователем агроно­мом А. Ф. Лебедевым, который выполнил блестящие эксперименты, связанные с вопросом о влажности пород и перемещения влаги в различ­ных состояниях.

А. Ф. Лебедев установил, что между атмосферой и литосферой существует известное равновесие в водном режиме. Вода в виде пара находится в свободной атмосфере, а также в воздухе, который запол­няет пустоты и поры в почве и горных породах. Водяной пар может перемещаться в пространстве от места к месту вследствие различной упругости. Перемещение пара происходит в направлении от мест, где он обладает большей упругостью, к месту с меньшей упругостью. Если упругость водяного пара в свободном воздухе больше, чем в воздухе, заполняющем поры почвы и горных пород, то он будет перемещаться из воздуха в почву. Попадая в области низких температур, свойственных почве и горным породам, водяной пар начинает конденсироваться (сгу­щаться) и переходить в жидкое состояние, подобно тому, как образует­ся роса при резкой смене температур дня и ночи. Так может накопиться некоторое количество воды в породах, что имеет большое значение для засушливых и пустынных районов.

Накоплением влаги в почве конденсационным путем можно объяс­нить то явление, что во многих случаях, несмотря на отсутствие дождей в течение длительного периода, посевы не гибнут. В это время почва с поверхности сильно иссушается, но растения получают влагу, накопив­шуюся конденсационным путем в более глубоких горизонтах, что и спо­собствует сохранению их.

Конденсация протекает и в других климатических зонах — умерен­ных и влажных, но- в смысле пополнения запасов подземных вод она имеет подчиненное значение в сравнении с инфильтрацией атмосферных осадков. Наряду с конденсацией водяных паров Л. Ф. Лебедев всегда отводил большую роль и процессам инфильтрации.

Седиментогенные подземные воды (лат. scdimen-tum — осадок). Это воды морского генезиса, образовавшиеся в процес­се накопления морских осадков в последующего их изменения.

Морская вода с растворенными в пей солями всегда пропитывает иловые осадки, постоянно накапливающиеся на дне моря. В ходе про­гибания земной коры и дальнейшего осадконакопления и диагенеза под влиянием все увеличивающегося давления эта вода начинает выжи­маться вверх. Это особенно имеет место в алеврнто-тлипнстых осад­ках. Благоприятные условия для формирования седимептогспных под­земных под создаются па большой глубине (несколько километров) при захоронении их мощными водонепроницаемыми пли слабо прони­цаемыми слоями.

Вместе с тем в ходе геологического развития под влиянием различ­ных факторов ссдпнсптогсппые воды претерпевают значительные изме­нения. Иногда происходит сменимте их с подами других генетических типов, пли даже полное вытеснение их ипфильтрационными водами.

«Ювепильные» (девственные) подземные воды. Многие источники подземных вод в областях современной или недавней вулканической деятельности молодых гор обладают повышенной тем­пературой и содержат в растворенном состоянии необычные для поверх­ностных условий соединения и газовые компоненты. Для объяснения происхождения таких вод австрийским геологом Э. Зюссом в 1902 г. была выдвинута так называемая ювенильная теория. По его представ­лениям, они могли образоваться из газообразных продуктов, выделяю­щихся в изобилии из магмы при ее остывании. Попадая в области с более низкими температурами, водяные пары начинают конденсироваться и переходить в капельножидкое состояние, образуя особый генетический тип подземных вод.

Однако пары воды, выделившиеся из магмы на глубине, так же как и другие газообразные компоненты, проникая вверх по разломам в зем­ной коре, могут встречаться и смешиваться с обычными подземными водами инфильтрационного происхождения и в таком случае поступают на поверхность в смешанном виде.

С другой стороны, инфильтрационные подземные воды при благо­приятных условиях могут проникать па большую глубину, в область более высоких температур, где они нагреваются, обогащаются раство­ренными минеральными веществами и газами и существенно изменяют свой первоначальный состав.

4. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Подразделение подземных вод на ряд типов может быть осуществ­лено по различным признакам: по происхождению, условиям залегания, гидравлическим свойствам, химическому составу, возрасту и т. п. Имеется много различных систем классификации.

Подразделение подземных вод по их происхождению приведено выше. По условиям залегания вы­деляются три основных типа подзем­ных вод: верховодка, грунтовые воды и напорные межопластовые, или арте­зианские, воды. Иногда выделяют меж­пластовые безнапорные воды.

Рис. 3. Схема залегания грун­товой воды и соотношение ее с

верховодкой:

/ — зона аэрации; // — зона на­сыщения водой (грунтовая вода); /// — водоупорное ложе; IV — зо­на капиллярного поднятия; V — верховодка; / — песок; 2 — водонасыщенный песок; 3 — глина; 4 — тяжелый суглинок; 5 — источ­ник; 6 — направление движения грунтовых вод; 7 — зеркало, или уровень, грунтовых вод

Верховодка. К верховодке отно­сятся подземные воды, залегающие на небольшой глубине от поверхности земли в зоне аэрации. Отличие верхо­водки от грунтовых вод в основном заключается в том, что она распола­гается выше них и, кроме того, огра­ничена площадным распространением. Это периодически существующие ло­кально развитые подземные воды, не имеющие регионально выдержанного водоупора. Они накапливаются на по­верхности небольших линз или пере­межающихся слоев водонепроницае­мых и полупроницаемых горных пород. Таковы, например, линзы морен в флювиогляциальных отложениях, погребенные почвенные горизонты в лёссовидных суглинках, глинистые линзы в песчаном аллювии и т. п. (рис. 3). Мощность верховодки (0,5—1, редко 2—3 м) и ее уровень подвержены значительным колебаниям, которые находятся в соответ­ствии с климатическими изменениями. Наибольшей величины мощность верховодки достигает весной или осенью. Часто, при малом количестве осадков, верховодка совсем исчезает. Большое количество таких линз . верховодки можно наблюдать в степных районах юго-востока европей­ской части СССР, где они обычно локализованы под степными блюд­цами и другими понижениями рельефа, развитыми на поверхности лессовидных суглинков. Местное население использует эту воду для водо­снабжения.

Грунтовые воды. Грунтовые воды пользуются большим распростра­нением. Это воды первого от поверхности постоянного водоносного гори­зонта, залегающего на первом более или менее выдержанном водонепро­ницаемом слое. Они могут накапливаться как в рыхлых пористых антропогеновых и доантропогеновых породах, так и в трещиноватых твердых горных породах. Отсутствие водоупорной кровли обусловливает питание их на всей площади распространения, или, иначе, область пита­ния грунтовых вод совпадает с областью их распространения.

В грунтовых водах следует различать верхнюю поверхность, или зеркало грунтовых вод, и водоупорное ложе (водонепроницаемая горная порода, подстилающая грунтовые воды) (см. рис. 3). Порода, насыщенная водой, называется водоносным слоем или водонос­ным горизонтом. Мощность водоносного слоя — расстояние от зерка­ла грунтовых вод до водоупорного ложа. Грунтовые воды по своим гид­равлическим особенностям — безнапорные или обладающие небольшим местным напором. Уровень грунтовых вод подвержен достаточно резким колебаниям в зависимости от метеорологических условий. К зеркалу грунтовых вод примыкает капиллярная кайма, в которой поры породы лишь частично заполнены водой, поднимающейся по капиллярам.

Движение грунтовых вод. Зеркало грунтовых вод редко бы­вает горизонтальным. Часто оно повторяет, в несколько сглаженном виде, рельеф поверхности и имеет четко выраженный наклон в сторону пони­женных мест. Происходит это вследствие того, что подземные воды находятся в непрерывном движении. Они двигаются в виде грунтового потока, подчиняясь силе тяжести, в направлении к оврагам, рекам, мо­рям и другим понижениям рельефа, где происходит их разгрузка в виде источников. Эти области называются областями разгрузки, или областями дренирования. Грунтовые воды движутся по порам и нешироким трещинам в виде отдельных тонких струек, параллельных друг другу. Такой вид движения называется ламинарным. Скорость движения подземных вод зависит от водопроводимости горных пород, а также от гидравлического уклона зеркала воды. Под уклоном понимается отношение где h — превышение уровня воды в одной точкенад уровнем воды в другой; l — расстояние между двумя точками. Уклон зеркала грунтовых вод называют также напорным гра­диентом и обозначают буквой I. Действительная скорость движения грунтовых вод в сравнении со скоростями течения рек относительно невелика. В песках мелкозернистых и однородных скорости движения воды при больших уклонах могут достигать 1—5 м/сут, в крупнозернис­тых гравийных песках— 15—20 м/сут, а в галечниках и сильно трещи­новатых закарстованных известняках 100 м/сут, а иногда значительно больше.

Режим грунтовых вод. Уровень, количество и качество грун­товых вод с течением времени меняется. Они чувствительно реагируют на изменение внешних гидрометеорологических условий, будучи тесным образом связаны с водным режимом Земли.

Основным ведущим фактором при этом являются климатические условия и особенно количество атмосферных осадков. В многоводные годы, когда атмосферных осадков выпадает много, уровень грунтовых вод повышается, в маловодные годы, наоборот, понижается. Иногда колебания уровня имеют резко выраженный сезонный характер и в тече­ние года достигают нескольких метров. При этих колебаниях некоторыеслои пород периодически то заполняются водой, то осушаются. Таким образом, па пространстве от поверхности Земли до водоупорного ложа отчетливо выделяются 8 зоны: 1) зона аэрации, располагающаяся над уровнем грунтовых вод, она не заполнена водом, и атмосферные осадки через нее лишь просачиваются в нижележащие, зоны; 2) зона п е р и о д и ч е с к о г о п а с ы щ е н и я в од о и, расположенная между минимальным уровнем подземных вод, соответствующим засушливым периодам, и наивысшим, устанавливающимся в многоводные периоды.

Рис. 4. Схема залегания и движения грунтовых вод в

междуречном массиве:

1 — песок; 2 — суглинок; 3 — минимальный уровень грун­товых вол; 4 — максимальный уровень грунтовых вод

Рис. 5. Различные случаи соотношения поверхностных и

грунтовых под (но М. Л. Вевиоровской):

А—зеркало грунтового потока наклонено к реке (обрат­ное соотношение наблюдается только в период паводков);

Б—зеркало грунтового потока наклонено от реки, питание грунтовых вод происходит за счет инфильтрации реч­ных вод; 1— водопроницаемые породы; 2 — водонепрони­цаемые породы; 3 — уровень грунтовых вод

Эта зона характеризуется периодическим смачиванием и осушением; 3) зона полного насыщения между наинизшим уровнем грун­товых вод и водоупорным ложем (рис. 4). Вместе с изменением уровня грунтовых вод изменяется дебит источников и химический состав воды. В природных условиях наблюдается гидравлическая связь грунто­вых вод с поверхностными водотоками, или водоемами (реками, озера­ми, и т. п.).

В районах с влажным и умеренным климатом реки как правило дренируют грунтовые воды, зеркало которых наклонено к реке. Однако соотношение уровней грунтовых и речных вод изменяется в разноевремя года. Во время паводков в реке, когда уровень воды в ней резко повышается, происходит поднятие уровня грунтовых вод в прибрежной полосе и возникает обратный уклон его (от реки) (рис. 5, А). При спаде уровня паводковых вод уровень грунтовых вод в прибрежной по­лосе также снижается и в конце концов приобретает свой обычный уклон.

В районах с засушливым климатом часто наблюдается обратная картина, уровень грунтовых вод понижается от реки и, следовательно, питание их происходит речны­ми водами (рис. 5, Б). Это имеет место у рек Амударьи и Сырдарьи и других, получаю­щих основное питание от тая­ния ледников и снега в горах. При пересечении ими пустын­ных пространств, они теряют часть своего расхода на пита­ние подземных вод. Следует отметить, что в настоящее вре­мя для многих районов факто­ром, оказывающим существен­ное влияние на режим грунто­вых вод, является хозяйствен­ная деятельность человека (отбор воды для -водоснабже­ния промышленных предприя­тий и населенных пунктов, мелиоративные мероприятия, гидротехническое строительство и т. п.). Изменение режима грунтовых вод имеет большое практическое значение при решении ряда народнохозяйственных задач, поэтому изу­чению его уделяется огромное внимание. При решении вопроса о водо­снабжении какого-либо населенного пункта необходимо учитывать наи­более низкое положение уровня грунтовых вод, ниже которого и следует закладывать эксплуатационные скважины и колодцы. Иначе нужно подходить к оценке изменения уровня грунтовых вод при строительстве различного рода сооружений. Здесь особое значение приобретает пра­вильная оценка возможных повышений уровня. Всякое заключение о влиянии грунтовых вод на фундаменты сооружений должно учитывать сведения о наиболее высоком стоянии грунтовых вод для данной мест­ности. При устройстве различных водохранилищ необходимо учиты­вать величину подпора грунтовых вод в берегах и его влияние па раз­личные сооружения. В комплекс исследований подземных вод неотъем­лемой частью входит изучение их режима во времени. Исследования сводятся к длительным (многолетним) стационарным наблюдениям над уровнем грунтовых вод, их температурой, химическим составом, над количеством выпадающих атмосферных осадков и температурой воздуха и над изменением уровня воды в поверхностных водоемах и реках, с которыми обычно связаны грунтовые воды. В настоящее время в раз­личных районах СССР организованы и работают специальные,государ­ственные режимные гидрогеологические станции и, кроме того, сущест­вует много ведомственных станций.

Рис. 6. Схема залегания межпластовых ненапорных вод:

1 — водонепроницаемые породы; 2 — водо­проницаемые породы; 3 — грунтовые воды; 4 — межпластовые воды; 5 — область пита­ния; 6 — источник

Безнапорные межпластовые воды. Помимо грунтовых вод иногда выделяются безнапорные межпластовые воды, отличаю­щиеся от грунтовых вод тем, что находятся между двумя выдержанны­ми ведоупорными пластами (рис.6). Питание их происходит не на всей площади распространения водоносного слоя, а только в месте вы­хода его на поверхность (а).

Обычно такие воды развиты в условиях расчлененного рельефа и залегают, выше базиса эрозии (местной гидро­графической сети). «Они не заполняют полностью водоносного слоя, не имеют соприкосновения с водонепроницаемой кровлей и характеризуют­ся свободной ненапорной поверхностью. На береговых склонах оврагови рек часто образуются источ­ники, или родники, при вскры­тии контакта водоносных и во­доупорных пород. Таким обра­зом, межпластовые воды явля­ются проточными и по услови­ям передвижения аналогичны грунтовым нисходящим водам,, подчиняющимся законам силы тяжести.

Рис. 8.7. Схема залегания артезианских вод:

1 — область питании; 2—водоносный слой; 3— одотчфоппцаеыые слон; 4 — самоизливающийся колодец; 5— колодец, в котором напорная вода не изли­вается; 6 — пьезометрический уровень напорных вод (рис. Н. П. Костенко)

Напорные, или артезиан­ские, межпластовые воды. К напорным водам относятся, воды, залегающие между дву­мя водонепроницаемыми плас­тами горных пород ниже бази­са эрозии.

Артезианские воды полу­чили свое название от провин­ции Артуа (фр. artesien) во Франции, которая в древности называлась Артезия. Там впер­вые в Европе в 1226 г. при помощи трубчатых колодцев получена самоизливающаяся подземная вода.

Наиболее благоприятные условия для формирования напорных вод создаются в пределах раз­личных прогибов земной коры, а также при моноклинальном залегании горных пород? В первом случае (рис. 8.7, 8,8, I) водоносные слои изогну­ты, в виде мульды или чаши. Областью питания подземных вод является место выхода водоносного слоя на поверхность. Атмосферные воды, поступая в водопроницаемые слои путем инфильтрации или инфлюации (лат. influo — втекаю), движутся к центральным частям мульды и за­полняют весь водоносный слой, находясь под гидростатическим давле­нием. Если выкопать колодцы или пробурить скважины до водоносного слоя, то подземная вода после ее вскрытия поднимется на значительную высоту.

Рис. 8.8. Разрез артезианского бассейн при мульдообразном (/) и моноклинально) (//) залегании пород:

а —область питания; б —область напора в — область разгрузки; М — мощность артезиаыского горизонта, Н, и Н2 — величинь напора; 1 — водоносные породы; 2 — водонепроницаемые породы; 3 — пьезометрический уровень. Стрелками показано направление движения артезианских вод

В колодцах, заложенных на более низких по рельефу участ­ках, вода будет самоизливаться на поверхность, или, как принято говорить, фонтанировать (колодец 4 на рис. 7), в других же остано­вится на какой-то глубине от поверхности (колодец 5). Подъем воды в колодцах бывает различный и зависит от высоты расположения об­ластей питания. Плоскость, проходящая через области питания (с уче­том потери части напора при движении подземных вод), определяет высоту напора воды в данном месте. Этот напорный уровень называют пьезометрическим уровнем, выше которого вода не может подняться. Пьезометрический уровень обычно выражают в абсолютных отметках по отношению к уровню моря.

В ряде геологических структур, заключающих артезианские воды, выходы водоносного слоя на поверхность расположены на различной гипсометрической высоте. В этом случае отдельные части структуры характеризуются различными гидрогеологическими условиями. На пло­щади более высокого выхода на поверхности водоносного слоя происходит питание напорных вод (область питания), на площади более низкого выхода слоя напорные воды выходят в виде источников, т. е. разгру­жаются (область разгрузки). Площадь, расположенная между областя­ми питания и разгрузки, называется областью напора (рис. 8, /).

Подземная вода может оказаться под гидростатическим напором и при моноклинальном, или односклопном, залегании пород, особенно в условиях частой смены пород (рис. 8, //), т. е. смены водопроницае­мых пород водонепроницаемыми. Вода, поступившая из области пита­ния в водопроницаемые породы, постепенно передвигается по падению слоя и, наконец, достигает глин, не находя далее выхода. Происходит накопление ее в водоносном слое и она оказывается под гидростатическим давлением. Если вскрыть воду колодцем, то она будет обладать напором и поднимется примерно до высоты питания. Подобные же скопления напорных вод возможны в районах тектонических сбросов, когда по линии сместителя водоносные слои оказываются в контакте с водонепроницаемыми породами.

При чередовании водопроницаемых и водонепроницаемых пород, или пород разной проницаемости, в таких структурах могут находиться несколько напорных водоносных горизонтов.

Рассмотренное формирование подземных вод вследствие инфильт­рации имеет особенно важное значение в верхних напорных водоносных горизонтах, где наблюдается активный водообмен. К этим горизонтам обычно приурочены подземные воды, пресные или слабо солоноватые. В то же время в глубоких водоносных горизонтах напорные воды всегда соленые, нередко рассолы. А. А. Карцев (1969), Н. Г, Киссин (1967) и другие исследователи отмечают в этих условиях большую роль седиментогенных вод в питании крупных бассейнов напорных вод. По их представлениям, в местах наибольшего прогибания земной коры питание напорных вод происходит путем выжимания седимеитационных вод из алеврито-глинистых отложений под действием геостатического давле­ния, созданного нагрузкой накапливающихся выше отложений. Под давлением глинистые породы испытывают значительное уплотнение ивода, присутствующая в них, выжимается в водопроницаемые слои (пески и др.). уплотнение которых незначительно.

• Л р т е з и а п с к и е б а с с е и н ы. Геологические структуры более или менее значительных размеров, содержащие в себе напорные меж­пластовые воды, называют а р т с з и а н с к и м и б а с с с н п а м и. Обыч­но они содержат большие запасы воды, которая широко используется в городах для питьевых и технических целей. В ряде крупных городов напорные воды являются одним из основных источников водоснабже­ния. На территории СССР имеется несколько обширных артезианских бассейнов, приуроченных к мульдообразным или чашеобразным проги-

Рнс. 8.9. Схематический разрез Диепровско-Донецкого артезианского бас­сейна (по К. И. Макову):

/ — песок; 2 — глина; 3 — мел и мергель; 4 — глина с песком; 5 — кри­сталлические породы

бам земной коры, а также к моноклиналям, в которых водопроницае­мые и водонепроницаемые слон чередуются друг с другом.

Наиболее известным и имеющим огромное значение в водоснабже­нии городов и селений центральной части европейской территории Союза являются М о с к о в с к п и артезианский б а с с е и н. На­порные воды приурочены здесь к трещиноватым, местами закарстован-ным известнякам и доломитам каменноугольного возраста. Общая мощность каменноугольных отложений в центральной части Москов­ской впадкны достигает 150—320 м, а к северо-восточной части — 400 м. Напорные воды приурочены здесь к отложениям всех трех отделов — нижпекаменноуголыюму, средпекаменпоуголыюму и верхнекаменно­угольному — и образуют несколько водоносных комплексов, изолирован­ных друг от друга глинистыми слоями. Напорные воды этих горизонтов отличаются хорошими качествами и широко используются в ряде мест и в самой Москве для питьевого и промышленного водоснабжения. Области питания этих водоносных горизонтов располагаются на западе, юго-западе, юге и востоке артезианского бассейна.

В более глубоких слоях девонских отложений Московского арте­зианского бассейна также есть напорные воды, но они отличаются большой минерализацией (содержат много растворенных солей) и для питьевого водоснабжения мало пригодны. .

Другим примером является артезианский бассейн, приуроченный к Днепровско-Донецкой (или Северо-Украинской) мульде, представляю-

щей собой впадину, вытянутую в западно-северо-западном направлении и заполненную породами юрской, меловой и палеогеновой систем (рис. 8.9). В центральной части впадины наблюдается несколько на­порных водоносных горизонтов, приуроченных к юрским пескам, к альб-сеноманским пескам, к мергелы-ю-меловой толще верхнего мела, и два водоносных горизонта в песках палеогена. Область питания бассейна располагается па приподнятых северной и северо-восточной окраинах его, а область разгрузки — в долине Днепра. Исключительно благоприятные условия питания н движения подземных вод этого бас­сейна обусловливают большие ресурсы их и хорошее качество. Они используются для водоснабжения многих населенных пунктов, в числе которых находятся такие крупные города Украины, как Киев, Харьков, Полтава.

ИСТОЧНИКИ

VЕстественный выход подземных вод на поверхность называется источником (ключ, родник). Источники чаще всего приурочены к долинам рек, балок, оврагов, прорезающих водоносные горизонты, и к берегам морей. Условия естественных выходов подземных вод различны и зависят от состава водовмещающих пород (пористые или трещинова­тые), от степени обнаженности склона реки .или оврага, от условий залегания горных пород и других факторов. Вода может спокойно сте­кать в виде отдельных струп на контакте с водоупорным слоем, иногда па достаточно широкой площади (чаще всего в пористых породах). В отдельных местах она вытекает в виде одной достаточно мощной струи (в пористых и особенно в трещиноватых породах) и, наконец, местами выходит в виде бьющей вверх сильной струи. Иногда подобные источники выходят на дне морей. Такие источники называются с у б -м а р и н и ы м и (лат. marinus— морской).

Если склоны долины реки или оврага покрыты слоем делювиаль­ных суглинков, то последние препятствуют сосредоточенным выходам источников и вода прокладывает себе путь под суглинком. В случае небольшой мощности покровного слоя грунтовая вода постепенно сма­чивает его. В результате но склону наблюдается сильное увлажнение на значительном протяжении и часто происходит заболачивание.

Источники, питаемые верховодкой и грунтовыми водами, называют и исходя щ и м н, а источники, питаемые напорными водами, — вос­ходящими. Наибольшим колебаниям подвержены нисходящие источники, питаемые верховодкой, которые временами совсем исчезают. Нисходящие источники грунтовых вод более постоянны, хотя их дебиг и качество также подвержены изменениям в зависимости от гидро­метеорологических условий, изменяющихся по сезонам года.

По водообилыюсти источники характеризуются большим разнооб­разием, что связано с условиями питания, а также со степенью водо­проницаемости водовмещающих пород; наибольшей водообильностью отличаются источники, выходящие из слоев крупнозернистых песков, галечников и сильно трещиноватых закарстовапных известняков. Кар­стовые источники, вытекающие из пещер и других карстовых каналов, бывают местами настолько мощны, что могут дать начало ручьям и даже рекам. Такие источники развиты на Крымской яйле, на Кавказе, в Ленинградской области н некоторых других местах нашей страны.

Восходящие источники представляют собой естественные выходы напорных вод. Они характеризуются более или менее постоянным ре­жимом, т. е. постоянным напором, дебитом, химическим составом, тем­пературой. Выходы их приурочены к областям разгрузки артезианских б-ассейнов и часто связаны с зонами тектонических разрывов.

Изучение источников подземных вод и их режима (изменение деби­та и качества во времени) имеет огромное значение, так как позволяет судить о балансе подземных вод на том или ином участке. Баланс подземных вод обусловливается притоком (питанием) и расходом воды. Приток осуществляется путем: 1) инфильтрации атмосферных осадков; 2) конденсации паров и просачивания конденсационной воды в глубину; 3) просачиванля воды рек и поверхностных водоемов; 4) поступления седиментацлонных вод в глубокие артезианские водонос­ные горизонты.

Расход выражается: 1) в выходе источников подземных вод па по­верхность земли; 2) в подземном питании открытых водоемов рек; 3) в испарении поднимающейся по капиллярам воды; 4) в испарении через транспиранию растениями; 5) в искусственном извлечении воды чело­веком.

При определении баланса подземных под все указанные, элементы притока и расхода должны быть учтены.

6. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Природные воды характеризуются большой растворяющей способ­ностью. Даже дождевая вода не является идеально чистой, так как она из облаков до поверхности Земли поглощает взвешенную в воздухе пыль и газы воздуха и выпадает до некоторой степени уже минерали­зованной. Тем более это относится к подземным водам. Протекая по разнообразным горным породам, они взаимодействуют с окружающей средой и изменяют свои свойства и состав. Происходит процесс выщела­чивания некоторых горных пород или включений в них и обогащение минеральными солями подземных вод. Кроме того, формирование химического состава подземных вод связано с условиями их происхож­дения (морские, имфильтрацнонные, ювенильпые и т. д.) и последующи­ми процессами, их изменяющими.

По количеству растворенных веществ природные воды разнообраз­ны и изменяются: от ультрапресных вод (с содержанием в растворе различных элементов в долях процента) до рассолов с полной насыщен­ностью. Общее содержание растворенных в подземных водах веществ принято называть обще и м и н е р а л и з а ц и е и воды и выражать в г/л или в мг/л.

В. И. Вернадский подразделял все природные воды с точки зрения общей минерализации на четыре больших класса:

. Пресные, с общей минерализацией до 1 г/л.

2. Солоноватые, с общей минерализацией от I до 10 г/л.

3. Соленые, с общей минерализацией от 10 до 50 г/л.

4. Рассолы (очень сильно минерализованные воды), с обшей мине­рализацией свыше 50,/г/уТ (300-iV более гл). Максимальная вели-чина минерализации, достигающая 500—600 г/л, встречена в последнее время в Иркутском бассейне^

1 Транспирация — физиологический процесс испарения воды живыми растениями.

Приведенная классификация указывает на значительные изменения в минерализации воды — от десятков миллиграммов до сотен граммов на 1 литр воды. В последующем А. М. Овчинниковым и другими иссле­дователями дано более дробное подразделение подземных вод по их минерализации (табл. 8.1). Для питьевых целей наилучшими водами являются пресные, с минерализацией до 1 г/л; при необходимости мож­но употреблять и слабо-солоноватые воды с общей минерализацией до 2—3 г/л. Воды с большей минерализа­цией для водоснабжения практически непригодны.

Таблица ^8.1

Общая минерализация и химический состав подземных вод (по А. М. Овчинникову)

Характеристика вод Общая минерали­зация, г/л Химический состав По В. И. Вер­надскому
Ультрапресные 0,2 1 Обычно гидрокарбонат-
Пресные 0,2-0,5 / ные , Пресные
Воды с относительно повы- ! Гидрокарбонатно-суль-
шенной минерализацией 0,5—1 : фатные ,
Солоноватые Соленые

1-3

3—10

 Сульфатно-хлоридные 1 Солоноватые
Воды повышенной солености 10 — 35 ! Преимущественно хло- )
ридные Соленые
Воды, переходные к рассолам 35 — 50 i Хлоридиые
Рассолы 50--400 (500) ! Рассолы

В подземных водах содержатся различные химические элементы, но подавляющее большинство их — в нич­тожных количествах. Наиболее рас­пространены ионы С1~, SO42, НС03, Na+, Ca2+, Mg2+, иногда в заметных количествах NH4+, K+, Fe2+ и Мп2+, ц из газов СО2, О2, реже H2S, N?.

Различные сочетания первых основ­ных шести элементов и определяют основные свойства подземной воды (рис. 8.10) — щелочность, соленость н жесткость.

Так, например, при значительной концентрации иопоз Na1 и С1~ вода приобретает соленый вкус, а при боль­шом содержании ионов Na+ и НС03~ приобретает щелочные свойства.

Классификация подземных вод по химическому составу в большинстве случаев производится по преобладаю­щим анионам и катионам. Так, выделяются следующие наиболее рас­пространенные классы: 1) гидро карбонатные воды (HCO;j- 25 ?ке-%); 2) сульфатные воды (SC)f 25 з/св-%); 3) х л о-р и д п ы с ii о д ы (С 1 -25 экв- % ); 1) воды сложного состава — хлоридно-гидрокарбонатные, сульфатно-гидрокарбонатные, хлоридпо- сульфатные и другие еще более сложного состава. „.По соотношению

Рис. 8.10. Сочетания различных элементов, обусловливающих ос­новные свойства воды

с катионами каждмй из них может бить патриеным, или кальциевым, нлп магниевым, или смешанным — кальциевомагнневым, натриево-кальцпевым и др. Это хороню выражено в классификации, предложен­ной С. А. Щукаревым и в последующем видоизмененной П. Н. Славя-ЙОБЫМ (табл. 8.2).

Т а б л и ц а 8.2

Классификация подземных вод по химическому составу

-~-^ Катионы i ~--^ Са~+ JC Анионы ~~~~~-- — -^^ 1 I a2+, Ms21 M«2+ | Na+, Ca2+ Na+-, Ca2+. MKa + Ma4-, MK2+ Na4

i

НСОГ 1

 23 4 b 6 7
HCOj-, S0~~ 8 9 j 10 11 ,2 13 14
НС07. S0;~, С Г 15 16 17 18 19 20 21
НС03-,С1- 22 : 23 !M ! 25 26 27 28
30=- | 29 I 30 i 3! 32 33 \*A 35
soj-,a~ 36 . 37 i 38 39 40 42
Ci i 43 i 44 \ 45 i 46 47 48 49
! i i j

Каждый анион или группа анионов (указанных по вертикали) может образовывать с отдельными катионами или группой катионов (указан­ных по горизонтали) различные сочетания. Цифрами в таблице обозна­чены типы вод, соответствующие различным сочетаниям анионов и катионов. Например: к 1-му типу будут относиться гидрокарбонатно-кальциевые воды, ко 2-му — гидрокарбонатно-кальциево-магниевые, к 8-му — гидрокарбонатно-сульфатно-кальциевые, к 49-му — хлоридно-натриевые.

Как видно из табл. 8.2, отчетливо проявляется закономерность из­менения химического состава вод с увеличением их минерализации от гидрокарбонатных к хлоридным.

В ряде артезианских бассейнов наблюдается хорошо выраженная вертикальная зональность. В верхних водоносных горизонтах развиты гидрокарбонатные воды, ниже смешанные и далее сульфатные, а еще ниже высокоминерализованные хлоридные. Существуют и другие клас­сификации подземных вод (Алекин, 1970), в которых учитывается не только деление по преобладающим анионам и катионам, но и соотно­шение между ними.

7. МИНЕРАЛЬНЫЕ ВОДЫ

* Обычно минеральными водами называют такие воды, которые ис­пользуются для лечебных целей и обладают определенными физико-химическими свойствами, оказывающими особое физиологическое воз­действие на организм человека. Целебные свойства этих вод обуслов­ливаются общей минерализацией, газовым составом и наличием в них специфических различных компонентов: железа, мышьяка, радия, брома, иода, углекислоты, радона и т. п., относительно редко встречающихся в обычных подземных водах. Кроме того, для многих минеральных источников характерна повышенная температура, необычная для подземных вод поверхностной зоны.

По температурным признакам минеральные воды некоторыми ис­следователями подразделяются на: 1) холодные, с температурой менее 20°; 2) теплые— от 20 до 37°; 3) горячие — от 37 до 42° и 4) очень горячие, с температурой выше 42°. В. В. Иванов (1964) предлагает температурную границу 37° снизить до 35°, принимая во внимание, что последняя близка к средней температуре человеческого тела.-

Наиболее известными типами минеральных вод являются:

Г. У г л е к и c./i ы е воды, газирующие углекислотой, характери­зуются большим разнообразием ионного состава. К ним относятся холодные нарзаны Кисловодска, горячие углекислые воды типа сла-вяиовской (Железноводск), Карловы Вары (ЧССР), Истису (Азер­байджан), Джермук (Армения) и др.* Образование углекислых мине­ральных РОД, по-видимому, в значительной части связано с глубинными процессами — термометаморфизмом и магматизмом. Так, например, наиболсо крупные углекислые источники в своем распространении тяготеют к районам развития молодых интрузий. Есть предположение, что в контактных зонах этих интрузий при высоких температурах (около 400°) происходит метаморфизация карбонатных пород с выделе­нием большого количества ССЬ. Поднимаясь отсюда по тектоническим трещинам, углекислый газ насыщает подземные воды верхних зон земной коры.

^.Сульфидные (сероводородные) воды. Среди них В. В. Иванов (1964) выделяет несколько типов по условиям их форми­рования: а) азотные сульфидные воды, генетически связанные с торфя­ными четвертичными образованиями. Примером этого типа являются сульфидные воды Кемери; б) метановые сульфидные воды, формирую­щиеся в глубоких частях артезианских бассейнов, генетически связан­ные с битуминозными и нефтеносными отложениями. Это преимущест­венно хлоридпыс или гидрокарСюнатно-хлоридные воды, в которых содержание 1 Ь5 в несколько раз больше первого типа. Такие сульфид­ные воды имеют наибольшее распространение. К ним относятся воды Мацесты, Талги на Кавказе, Усть-Качкинские в Приуралье и многие другие.

3. Рад и о а к т и в н ы е (обогащенные радоном) воды форми­руются в различных условиях. Главным образом они связаны с кислыми интрузивными горными породами, богатыми радиоактивными элемен­тами (уран, торий и др.) и продуктами их разрушения. Среди них распространены: а) холодные радоновые воды в корах выветривания; б) термальные радоновые воды, приуроченные к глубоким тектониче­ским трещинам в кислых магматических породах (гранитах и др.). Хорошо известны курорты Цхалтубо на Кавказе и Белокуриха в Алтай­ском крае, основанные па использовании радоновых вод.4

Если обратимся к распределению минеральных вод на территории Советского Союза, то увидим изобилие минеральных источников в районах молодых гор, сформированных главным образом в палеоген-неогеновое и частично антропогеновое время, в которых тектонические движения продолжаются и по настоящее время. К таким районам отно­сятся Кавказ, Закавказье, Памир, Камчатка, Курильскиеострова и др. В некоторых из них (Камчатка, Курильские острова) и поныне происхо­дит интенсивная вулканическая деятельность, в других же (Кавказ и др.) она проявлялась совсем недавно. Горообразовательные движения в этих районах вызвали образование разломов и крупных тектониче­ских трещин.

Такая закономерность распределения большинства минеральных источников не является случайной. Некоторые из них несомненно свя-

утечек воды из водохранилищ (Испания, Франция, Италия). Для пред­отвращения подобных случаев необходимо детальное изучение карсто­вых явлений, которое позволит дать правильный прогноз будущих из­менений и выработать мероприятия по борьбе с карстом. При решенш. вопросов водоснабжения крупных населенных пунктов и промышленные, предприятий также необходимо изучать карстовые явления. Можно в целом сказать, что ни одно хозяйственное мероприятие, проектируе­мое в карстовых районах, не может обойтись без специального кзучени . карста.

8. ОПОЛЗНИ

С деятельностью подземных и поверхностных вод и другими факто­рами часто связаны разнообразные смещения горных пород, развиваю­щиеся на крутых береговых склонах оврагов, долин рек, озер и морей. Характер и величина смещений бывают различными. Среди них наблю­даются:

1. Мелкие смещения, захватывающие только поверхностную часть склона, почвенный слой и часть подстилающей выветрившейся породы, которые под влиянием сильного переувлажнения атмосферными осад­ками начинают медленно передвигаться вниз. Такие смещения назы­ваются оплывинам и, или с п л ы в а м и.

2. Крупные смещения земляных масс по склону, захватывающие различные горные породы, слагающие склон и распространяющиеся на большую глубину. Такие смещения называются оползнями.

3. Внезапные обрушения огромных масс горных пород, сопровож­дающиеся опрокидыванием сорвавшегося массива и его дроблением, называются обвалами. Наиболее значительные проявления их на­блюдаются в молодых горных районах. В таких районах вода подго­тавливает возможность движения пород, ослабляет в них прочность, Часто внезапность обвала бывает связана с проявлением землетрясения. Иногда обвалы достигают грандиозных размеров. Так, например, и 1911 г. на Памире произошел обвал, при котором обрушилась масса породы в 7—8 млрд. т, запрудила реку и образовалось так называемое Серезское озеро длиной около 80 км. Возникла естественная плотинй высотой свыше 500 м, длиной около 2 км и шириной у основания около 5 км.

Наибольший интерес представляют собственно оползни, широко распространенные и создающие местами угрозу для населенных пунк­тов, отдельны:; участков железных дорог и т. п. Крупные оползни с глу­боким смещением горных пород вызывают значительные изменения » очертаниях береговых склонов и придают им особые формы. Простей­ший случай оползневого склона представлен на рис. 8.17. Пунктирен-указано первоначальное положение крутого берегового склона. После оползня он принял совсем иную форму, представленную сплошной ли­нией. Во всяком оползневом склоне можно выделить отдельные элемен­ты его. Поверхность, по которой происходит отрыв части горных порол от склона и последующее их оползание вниз, называется п о в е р х -н о с т ь ю смещения, или поверхностью скольжения. Она часто несет на себе следы полировки и штриховки, вызванные трением пород друг о друга при сползании. Такую полировку часто называют зеркалами скольжения. Сместившиеся горные породы, рас­полагающиеся в нижней части склона, называют оползневыми

Н 211

м а к о п л с и и я м и, или о л о л з II с в ы м тел о м. Верхняя, более крутая часть склона, расположенная выше оползневого тела, называется к а д о п о л з и е в ы м уступом. Оползневое тело в поперечном разрезе обычно выражено в виде террасовиднон ступени, часто запро­кинутой в сторону ненарушенной оставшейся части склона я называе­мо!! о п о л з м е в о и т е р р а с о и. Поверхность такой террасы чаще

всего неправильно бугристая, иногда же более или менее вы­ровнена. Место сопряжения опол­зневого тела с падогюлзневым ус­тупом, выраженное иногда пони­жением в рельефе, называется тыловым швом оползня. Место выхода поверхности сколь­жения в склон называется п о-д о ш в о п о п о л з п я. Она может располагаться на различных уров­нях в зависимости от состава гор­ных пород, слагающих склон, н ха­рактер/а оползневых смещений. В большинстве случаев она нахо­дится у подошвы склона, иногда выше его, но местами опускается значительно ниже, уходя даже под уровень воды реки или моря. Часто оползневое тело представляет собой серию блоков, соскольз-KVBUIIIX вниз под влиянием собственного веса (рис. 8.18). При этом в блоках сохраняется последовательность слоев и только наблюдается их запрокидывание в сторону ненарушенной части склона. Это, по А. П. Павлову, д е л я п с и в н а я часть о п о л з н я, происшедшая иод действием силы тяжести горных пород (лат. delapsus — падение, скольжение). В нижней части такого оползня сместившиеся породы сильно раздроблены и перемяты под напором вышележащих блоков. Это д е т р у з и в н а я часть ополз н я, возникшая вследствие, толкания оторвавшихся сверху блоков (лат. detrusio— сталкивание). Иногда давление оползневых масс настолько значительно, что перед ними возникают бугры выпирания пород, слагающих основание склона. В таких крупных оползнях вдоль поверхностей скольжения образуют-:я оползневые брекчии трения. В ряде оползневых районов наблю­даются сложные оползни, состоящие из многих отдельных блоков. В таких сложных оползнях обычно сочетаются деляпсивный (в верхней части склона) и детрузивный (в нижней части склона) типы смещений. Крупные оползневые смещения образуют огромные цирки, или зернее полуцирки, глубоко вдающиеся в берег. Они чередуются с более устойчивыми участками склона, представляющими собой как бы мысы, называемые м еж о п о л з н е в ы м и гребнями. Обычно предвест­ником оползневых смещений служит появление одной или нескольких дугообразных трещин, расположенных выше берегового склона (рис. 8.19). Эти трещины срыва постепенно расширяются, и отчленяю­щаяся часть склона начинает оползать вниз (рис. 8.20, А, Б). Помимо характерных форм рельефа, создаваемых оползневыми процессами, хо­рошим показателем являются неправильно ориентированные деревья на поверхности оползневого тела. Они в процессе смещения выводятся из своего вертикального положения, приобретают на отдельных участках различный наклон, искривляются, а местами расщепляются, как, это

Рис. 8.17. Схема оползпсииго склона: : —- пгрпиначалыюс положение склона; 1 — ненарушенным склон; 3 — оползне­вое тело; -1 — поверхность скольжения; 5— тыловой тон; 6 — нпдопол.чнепон уступ; 7 — подошва оползня; 8 — источ­ник

наблюдалось ь парке Фили (Москва), на Южном берегу Крыма и Е других местах. Такой лес называют «пьяным лесом».

Причины оползневых явлений. Исследования оползневых районе. показали, что оползни представляют собой сложный процесс, проте

Рис. 8. К8. Схема сложного оползня (по Е. В. Шанцеру)

Рис. 8.19. Трещи;!; i срыва перед нач;:.:юм оползня

кагоший под влиянием комплекса факторов, в числе которы:, находяч ся и подчемныс йоды. К таким факторам относятся:

1. Интенсивный подмыл берега рекой пли абразия морем (разруш­ьте действием прибоя) в ряде случаев являются одной из главны причин возникновения оползней в Поволжье, па Черноморском поб режье Кавказа и в других районах. При подмыве берега рекой плг абразии морем увеличивается крутизна склона и его напряженное со

стояние, что в конце концов приводит к нарушению равновесия чемля-.;гых масс и их оползанию.

2. Влияние атмосферных осадков сказывается на устойчивости зем­ляных масс. Так, например, отмечается, что оползни в овражной сети

| i

\ I

\ Б

Рис. 8.20. А. Оползни в Крыму близ Симеиза — смещенное шоссе WOTOi..li. юршкова). Б. Оползневой цирк на правом берегу сред­ней Волги

до^д^ивогобпреЖЬЯ /(авказа происходят преимущественно в конце ™асыщениеРИОДа (ФевРал„ь - март), когда наблюдается максималь-обводненвдстиепГрунтов водон- В Чел°м важное значение имеет степень эоводненности пород как метеорными, так и подземными водами.

оезульта?е во3дейст0вГКСТеИЦИИ (состояния) глинистых пород склона в результате воздействия подземных или поверхностных вод и процессов

выветривания. При условии обнажения глины в береговом склоне она подвергается воздействию различных внешних факторов и выветри­вается, постепенно усыхает, растрескивается. Особенно этому помогает периодическое воздействие воды, при котором попеременные увлажне­ние и высыхание могут совсем нарушить ее монолитность. При насы­щении водой такая разрушенная глина приобретает пластическое или текучее состояние и начинает сползать по склону, увлекая за собой и другие породы.

4. Суффозия, вызываемая движением подземных вод в водоносном слое. Подземные воды, выходя на поверхность склона, выносят с собой

Рис. 8.21. Явление суффозии из водоносного слоя и песчаном карье­ре (фото Г. П. Горшкова)

ш водоносного слоя мелше частицы водовмещающсй горной породы и ра.глнчпые химически растворенные1 вещества (рпс. 8.2!;. Длительно продолжающийся процесс выноса приводит к рязрыхлспию водоносного слоя, его ослаблению, как бы подкапыванию склона (суффозия). Такой разрыхленный слой уже не в состоянии поддерживать горные породы, слагающие более высокие части склона, и они начинают сползать вниз.

5. Гидродинамическое давление, создаваемое подземными водами близ выхода на поверхность склона. Особенно это проявляется при на­личии гидравлической связи подземных вод с рекой. В этом случае в моменты половодий речные воды питают подземные (рис. 8.21), вследствие чего их уровень также поднимается. Спад полых вод в реке происходит сравнительно быстро, а понижение уровня подземных вод в склоне относительно медленно. Получается как бы разрыв между уровнями подземных и речных вод, чем и создается дополнительное гидродинамическое давление в склоне. В результате может произойти выдавливание присклоновой части водоносного слоя, а вслед за ним оползание горных пород, расположенных выше. В связи с этим в ряде случаев отмечается активизация оползней после паводков.

Нам пришлось быть свидетелями такого мгновенного оползания откоса па одном из недавно возведенных каналов. По условиям эксплуа­тации требовалось быстро освободить канал от воды, что и было сделано в течение нескольких дней. Подземные воды, связанные ранее с уровнем воды в канале, после опорожнения его создали в откосах ог­ромное давление. В результате откос на протяжении около 100 м ополз в канал.

6. Условия залегания горных пород, слагающих склон, или, иначе, структурные особенности. К ним относятся: а) падение пород в сторону реки или моря, особенно если среди них есть слои глин и водоносные горизонты на них; б) наличие тектонических и других трещин, падаю­щих в том же направлении; в) значительная степень выветривания по­род и др.

7. Неосторожная деятельность человека, которая иногда приводит к нарушению устойчивости склона. Это может быть связано: с искус­ственной подрезкой склонов; с разрушением пляжей (как это иногда имело место при строительстве морских портовых сооружений без учета естественных условий формирования пляжей и направления движения наносов); с дополнительной нагрузкой на склон; с неуемной вырубкой леса и т. п. В зависимости от конкретных условий оползни возникают вследствие одного из названных факторов, но в большинстве случаев в результате различного их сочетания. * •

Распространение и типы оползней на территории СССР. Одним из крупнейших оползневых районов СССР является Поволжье. Здесь оползни охватывают значительные по размерам территории и за исто­рический период причинили много разрушений ряду городов и другим крупным населенным пунктам. Особенно большое количество оползней сосредоточено в Среднем и Нижнем Поволжье (от впадения р. Камы и ниже по течению). Такие города, как Горький, Васильсурск, Сенги-лей, Ульяновск, ст. Батраки, Вольск, Саратов и другие, расположенные на правом берегу Волги, издавна страдают от оползней, и там затра­чиваются большие средства на борьбу с ними, на выполнение ряда противооползневых мероприятий. Местом классического развития ополз­ней является г. Ульяновск. За время существования города (с 1648 г.), судя по указаниям в летописях и в литературе, произошло не менее 25 оползней. Наиболее крупный из них отмечен в 1915 г. Он захватил береговую полосу около 1,5 км длиной и 400—600 м шириной. Была покороблена ветка Московско-Казанской железной дороги, которая местами опустилась на 1,5 м и передвинулась на 10 м, разрушена эста­када строившегося в то время моста через Волгу. Известны также не­однократные деформации железнодорожного полотна в районе ст. Бат­раки (Батракский косогор). Оползневые смещения имели место также в районе расположения цементных Сенгилеевского и Вольского заводов. Ьольшой известностью пользуются оползни Саратова, которые иногда достигали катастрофических размеров и приводили к разрушению мно­гих построек. Так, например, при оползне 1884 г. было разрушено около 300 домов.

В пределах Поволжья встречаются различные типы смещения земляных масс склона, вызываемые различными причинами. Почти на всем протяжении Волга интенсивно подмывает свой правый берег. Эта боковая эрозия создаст условия для неустойчивости береговых склонов. Кроме того, береговые склоны в ряде мест слагаются чередующимися слоями глин и водоносных песков, что способствует проявлению суффо-зионных процессов, гидродинамического давления, изменению консис­тенции глинистых пород и т. п.

Здесь часто развиты глубокие од н о я р у с н ы е оползни, протяги-ъш\й,ШЛ меташ lia десятки и сотни метров. Оползневое тело бывает очень сложным; иногда состоит из нескольких ступеней, КЙЖдйЯ \\3 которых ограничена плоскостью скольжения. Мощность оползневых накоплений — от нескольких метров до 30 м и больше (близ Улья­новска).

А

I

-.................. .........—......1

!

I

|

i

I

I

i

i:

i

i

Рис. 8.22. Л. Ополлень-поток; Б. Крупные оползни и обвалы р;-:.!шог во.фаста. Южный берег Крыма (фото Г. С. Золотарева)

Встречаются также и д в у х ъ я р у с н ы е оползни, т. е. ополз­ни, образующиеся в пределах одного и того же склона на двух разных гипсометрических уровнях. Нижний ярус оползней связан с подмывом рекой и выходом подземных вод из песков нижнего водоносного слоя. Причиной возникновения верхнего яруса оползней могли явиться суф-фозионпые процессы, связанные: с выходом воды из более высокого водоносного горизонта. Гак, при соответственном геологическом строе­нии берегового склона п наличии п нем нескольких водоносных гори­зонтов могут возникнуть многоярусные оползни.

Оползни в Поволжье имеют разный возраст (от древнеантропоге-повых до современных), что увязывается с историей развития долины Волги.

В Поволжье, в Крыму и других районах наблюдается также своеоб­разный гип смещений земляных масс, называемый оползнями — п о т о к а м и, или о и о л з и я м и г л е т ч е р и о г о т и п а. Механизм их образования заключается в следующем. Разрыхленные оползшие массы пород насыщаются водой, приобретают полужидкое состояние и начинают медленно перемещаться вниз, образуя как бы поток (рис. 8.22, А).

Вторым крупным оползневым районом является Черноморское по­бережье. Издавна известны значительные по размерам оползни в райо­не Одессы, на Южном берегу Крыма (рис. 8.22,5), на Кавказе, особен­но на участке Сочи—Сухуми. Причины возникновения оползней раз­личны. Здесь играют большую роль абразионная работа моря, подре­зающая берег, и оползневые накопления, подземные воды, выходящие на разных уровнях, интенсивное выветривание горных пород с накопле­нием по склону мощных продуктов выветривания п структурные усло­вия района. На Черноморском побережье, также как и в Поволжье, развиты различные по типу и возрасту оползни. Следует отметить при этом, что здесь особенно проявляется связь развития оползневых про­цессов с базисом эрозии и его изменением во времени. Г. С. Золотарев и другие исследователи отмечают, что в Крыму, а местами и на Кав­казе ложе древних оползней опускается на 20—30, а иногда и 60 ж ниже уровня моря. •••«*,

Кроме того, оползни встречаются в отдельных местах по долинам рек Днепра (на участках, прилежащих к Киеву), Оки, Печоры, в ни­зовьях Камы, на Москве-реке и в других районах.

Меры борьбы с оползнями. Борьба с оползневыми процессами производится различными способами в зависимости от тех причин, ко­торые вызывают оползни. В отдельных случаях прибегают к уполажи-ваниго крутого склона, т. е. срезают его и придают ему более пологий наклон. Иногда строят у основания склона бетонные подпорные стенки, заглубленные в ненарушенные коренные породы, с засыпкой крупного, хорошо фильтрующего песчано-гравийного материала между стенкой и склоном. Назначение такой засыпки — перехват и отвод подземных вод, поступающих со склона. При защите берегов, интенсивно подмы­ваемых рекой или морем, устраивают струенаправляющпе дамбы, волно­ломы и т. п. В районах, где главной причиной возникновения оползней является увлажнение склона поверхностными водами, стекающими по склону, или подземными водами, применяются противооползневые мероприятия по перехвату и отводу этих вод, т. е. недопущение их к склону. Эти мероприятия называются дренажными и сводятся к устрой­ству нагорных канав (для отвода поверхностных вод) и подземных галерей, предназначенных для перехвата и отвода с угрожаемых участ­ков подземных вод.


ЛИТЕРАТУРА

Гвоздецкий Н. А. Карст. Вопросы общего и регионального карстоведения. М.,

Географгиз, 1954.

Д зенс-Л итовски и А. И. Соляной карст СССР. Л., «Недра», 1966. ,Е м е л ь я и е н к о Е. П. О значении подземных вод и процессов эрозии или абразии

в возникновении оползней. Сб. «Вопросы гидрогеологии и инженерной геологии»,

№ 18. М., Госгеолтехнздат, 1959.

Иванов В. В., Н е в р а е а Г. А. Классификация подземных минеральных вод \\

«Недра», 1964. Карцев А. А., Вагин С. Б., Басков Е. А. Палеогидрогеология. М., «Недра»

1969. Кисеи н И. Г. Гидродинамические аномалии в подземной гидросфере М «Наука»

1967. .| -

Климентов П. П. Гидрогеология. М., Госгеолтехиздат, 1955.

Кнорре М. Е., Рагозин И. С. и др. Оползни и меры борьбы с ними. М., Строй -

из дат, 1951.

Короткевич Г. В. Соляной карст. Л., «Недра», 1970. Ломтадзе В. Д. Инженерная геология. Л., «Недра», 1970.

Лыкошин А. Г. Карст л гидротехническое строительство. М., Стройнздат, 1968 Максимович Г. А. Основы карстоведения. Пермь, т. I, 1963, т. II, 1969. Овчинников А. М. Общая гидрогеология. М., Госгеолтехиздат, 1955. Овчинников А. М. Гидрогеохпмия. М., «Недра», 1970. Овчинников А. М. Минеральные воды. М., Госгеолтехиздат, 1963. Оползни и борьба с ними. Ставрополь, 1964.

Сергеев Е. М. и др. Грунтоведение, изд. 3-е. Изд-во МГУ, 1971. Соколов Д. С. Основные условия развития карста. М., Госгеолтехиздат, 1962. Щукин И. С. Общая геоморфология, т. 11. Изд-во МГУ, 1964. .Якушева А. Ф. Карст и его практическое значение. М., Географгиз, 1950.

Скачать архив с текстом документа