Происхождение подземных вод и их распространение на земном шаре

Согласно современным представлениям, подземные воды по происхождению могут быть как экзогенными (их источник — водные объекты на поверхности суши и влага атмосферы), так и эндогенными (их источник — недра Земли).

Экзогенные подземные воды попадают в горные породы либо при процессах просачивания (инфильтрации) поверхностных вод и конденсации водяного пара, либо в результате седиментации (осадконакопления). Эти воды часто называют соответственно инфильтрационными, конденсационными и седиментационными.

Инфилыпрационные подземные воды проникают в горные порода путем просачивания атмосферных, речных, морских и озерных вод. Основную роль при этом играет проникновение в грунт через поры и трещины практически пресной атмосферной воды. Конденсационные подземные воды образуются при конденсации в порах грунта водяного пара, перемещающегося в грунте под влиянием разности давления. Считают, что вклад этого вида питания подземных вод невелик, однако в некоторых физико-географических условиях, например пустынях, может иметь существенное значение. Седиментационные подземные воды образуются из вод того водного объекта, где происходил процесс седиментации, т.е. отложения наносов. Воды такого типа распространены в осадочных породах и в ложах океанов и морей, где образуют так называемые «иловые растворы».

Эндогенные подземные воды образуются в горных породах в результате дегидратации минералов (такие воды называют дегидратационными или «возрожденными»)или поступают из магматических очагов, в частности в районах современного вулканизма (их называют «ювенильными» водами).

Инфильтрационные, конденсационные, седиментационные, дегидратационные и «ювенильные» воды при своем перемещении в горных породах смешиваются, образуя смешанные по происхождению подземные воды.

Как было показано в гл. 3, подземные воды (главным образом — инфильтрационные) являются важным компонентом материкового звена круговорота воды на земном шаре и играют заметную роль в балансе и режиме природных вод и растворенных в них веществ.

ФИЗИЧЕСКИЕ И ВОДНЫЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ. ВИДЫ ВОДЫ В ПОРАХ ГРУНТОВ

Физические свойства грунтов

Подземные воды находятся в верхней толще земной коры, включая кору выветривания и почвенный слой. Эту толщу в гидрогеологии называют горными породами, в гидрологии — почвогрунтами. Будем называть ее для краткости просто грунтом. Режим подземных вод во многом определяется физическими и водными свойствами вмещающих их грунтов.

К числу основных физических свойств грунта относятся его плотность, гранулометрический состав и пористость.

Плотность грунта — это отношение массы однородного грунта к его объему:

r_гр = m _гр/ V _гр. (5.1)

Различают плотность сухого грунта и плотность грунта при естественной влажности. Плотность грунта отличается от плотности его «скелета» r, зависящей от характера вещества или минерала, слагающего грунт. Например, для частиц кварцевого песка r приблизительно равна 2650 кг/м³, супесей — 2700, суглинков —2710, глин — 2740 кг/м³.

Поскольку грунт состоит не только из скелета, но и из пор, заполненных либо воздухом, либо водой, либо льдом, плотность как сухого, так и влажного грунта всегда меньше плотности его «скелета». Так, плотность песка (как грунта, а не как минерала) обычно находится в пределах 1200—1500 кг/м³.

Многие рыхлые грунты представляют собой смесь частиц различной крупности. Процентное содержание (по массе) в рыхлых грунтах групп частиц (фракций) различного диаметра называют гранулометрическим, или механическим, составом грунта. Для характеристики гранулометрического состава грунта используют понятие «средний диаметр частиц грунта D _ср» и некоторые другие величины, о которых подробнее будет сказано в разд. 6.9, посвященном речным наносам.

Практически все грунты (как рыхлые, так и скальные) обладают скважностью (пустотностъю), под которой понимают наличие в грунтах пустот независимо от их размеров, формы и происхождения. Скважность, обусловленная порами, т.е. промежутками (обычно <0,1мм) между отдельными частицами, называется пористостью. Скважность, обусловленная трещинами в грунте, называется трещиноватостью. Скважность, обусловленную наличием в грунте крупных (>1 мм) пустот (каверн), называют кавернозностъю.

Грунты (породы, в гидрогеологии — иногда среды), где преобладает один из трех названных выше видов скважности, называют соответственно пористыми, трещинными (трещиноватыми)и каверновыми (В.А. Всеволожский, 1991). К пористым грунтам относятся многие осадочные породы (пески, илы, глины, лессы, суглинки), торф, обломочные породы; к трещинным — многие метаморфические и магматические горные породы; к каверновым — известняки, гипсы и другие породы, подвергаемые выщелачиванию легко растворимых соединений, например в районах проявления карста.

Пористость грунтов характеризуется коэффициентом пористости р, который равен выраженному в процентах отношению объема пор V_nop к объему всего грунта V _гр в сухом состоянии:

р= (V _пор /V _гр)100%. (5.2)

Коэффициент пористости р и соотношение между плотностью сухого грунта r_гр и его «скелета» r, о которых речь шла выше, связаны следующей формулой:

р = (1-r_гр/r)100%. (5.3)

Пористость — одна из важнейших характеристик грунта, определяющих его способность пропускать воду (см. ниже). Разные грунты обладают различной пористостью:

Грунт (горная порода)	Средние значения коэффициента пористости, %
Торф
Ил
Лёсс
Песок	25-35
Суглинки
Глины	20-40
Сланцы
Гнейсы
Мрамор
Гранит

Заметим, что иногда не разделяют понятий «скважность» и «пористость» и коэффициент пористости используют для характеристики скважности (пустотности) любых грунтов.

Виды воды в порах грунта

Вода в порах грунта подвержена влиянию различных физических сил и находится в различном состоянии.

Основные силы, действующие на воду в порах грунта,— это силы молекулярного взаимодействия (между разными молекулами воды, между молекулами воды и частицами грунта); капиллярные силы, обусловленные поверхностным натяжением воды; силы тяжести и гидростатического давления; сосущая сила корневой системы растений (десукция), обусловленная осмотическим процессом.

В зависимости от физического состояния, подвижности и характера связи с грунтом выделяют несколько видов воды в грунтах: химически и физически связанная, капиллярная, свободная (гравитационная), вода в твердом и парообразном состоянии.

Химически связанная вода входит в состав некоторых минералов, например гипса CaS0₄ ´ 2Н₂0, мирабилита Na₂S0₄ ´ 10H₂O, медного купороса CuS0₄ ´ 5H₂0. Вода из таких минералов может быть удалена в большинстве случаев лишь при нагревании до 300—400 °С.

Физически связанная вода удерживается на поверхности минералов и частиц грунта молекулярными силами и может быть удалена из грунта только при температуре не менее 90—120 °С. Этот вид воды подразделяют на прочносвязанную (гигроскопическую) и рыхлосвязанную (пленочную).

Рис. 5.1. Различные виды воды на частицах грунта (по А.Ф. Лебедеву): а — гигроскопическая вода при неполной (1) и максимальной (2) гигроскопичности; б— пленочная вода, движущаяся от частицы с более толстой (3) к частице с более тонкой (4) пленкой; в — свободная (гравитационная) вода

Гигроскопическая вода (рис. 5.1, а)образуется вследствие адсорбции частицами грунта молекул воды. На поверхности частиц гигроскопическая вода удерживается молекулярными и электрическими силами. Свойство грунта удерживать гигроскопическую воду называют гигроскопичностью. Различают неполную гигроскопичность, когда влага не образует вокруг частиц грунта сплошного слоя, и максимальную гигроскопичность. В первом случае толщина слоя составляет 1—3 молекулы, во втором — 10—20 молекул.

Пленочная вода (рис. 5.1, б) образует пленку поверх гигроскопической воды, когда влажность грунта становится выше его максимальной гигроскопичности. Эта вода может передвигаться от одной частицы грунта к другой: от мест, где толщина пленки больше, к местам, где ее толщина меньше.

Физически связанная вода (за исключением некоторого количества пленочной воды), как и химически связанная, в круговороте воды в природе практически участия не принимает, и поэтому в состав подземных вод, которые изучает гидрология, не включается.

Капиллярная вода образуется в порах грунта после насыщения их пленочной водой, заполняет поры и тонкие трещины и перемещается в них под действием капиллярных сил. Капиллярную воду в порах грунта подразделяют на капиллярно-подвешенную, образующуюся в верхней части почвенного слоя, питающуюся атмосферными осадками и не связанную с нижерасположенными грунтовыми водами; капиллярно-поднятую, располагающуюся в виде капиллярной зоны («капиллярной каймы») над уровнем грунтовых вод и тесно с ним связанную; капиллярно-разобщенную, находящуюся в остальной толще грунта.

Капиллярная вода играет важную роль в насыщении почв водами, режиме грунтовых вод и питании растений. Капиллярная вода через поверхность почвы или листья растений испаряется, поэтому она участвует в круговороте воды в природе и ее следует включать в состав подземных вод, изучаемых гидрологией.

Свободная, или гравитационная, вода (рис. 5.1, в) — наиболее подвижный и важный компонент подземных вод. Эта вода в жидком виде находится в порах и трещинах грунта и перемещается под влиянием силы тяжести и градиентов гидростатического давления. Объем свободной (гравитационной) воды в насыщенном водой грунте зависит от его скважности, гранулометрического состава, количества и размера пор.

В грунтах с крупными порами (галька, гравий, песок) свободная (гравитационная) вода — главный вид подземных вод (разумеется, при наличии источника их поступления и при условии насыщения грунта). В глинах, несмотря на большую пористость вследствие малого размера пор, свободной (гравитационной) воды мало, здесь преобладает капиллярная и связанная вода.

Вода в твердом состоянии (лед) находится в грунте в виде кристаллов, прослоек и линз льда. В районах сезонного промерзания грунта эта вода периодически участвует в круговороте воды.

Вода в парообразном состоянии (водяной пар) заполняет вместе с воздухом не занятые водой пустоты в грунтах. Водяной пар в грунтах обладает большой подвижностью и перемещается от мест с большей к местам с меньшей упругостью (меньшим давлением). Парообразная вода в грунтах активно участвует в круговороте воды в природе.

Водные свойства грунтов

Водные свойства грунтов определяются их физическими свойствами и содержанием в них воды. К основным водным свойствам грунтов относятся влажность, влагоемкость, водоотдача, водопроницаемость, капиллярность.

Фактическое содержание воды в грунтах называют их влажностью W_m. Влажность — это отношение массы воды к массе сухого грунта, выраженное в %:

W_m = (m _в/ m _c)100% = [(m _гр - т _с)/ т _с] 100%, (5.4)

где т _в — масса воды в образце грунта, кг; т _гр— масса исследуемого грунта с естественной влажностью, кг; т _с — масса того же образца, кг, высушенного при температуре 105—106 °С. Часто вместо массовой влажности используют понятие объемная влажность W _об, которую можно определить по формуле

W _об = (V _в/ V _с)100%, (5.5)

где V _в — объем воды в образце грунта, м³; V _c— объем образца грунта в абсолютно сухом состоянии, м³.

Между массовой и объемной влажностью существует соотношение W _об = W_т r_с.гр/r_в, где r_с.гр — плотность сухого грунта, кг/м³; r_в — плотность воды, кг/м³.

Влагоемкостью грунта называют его способность вмещать и удерживать определенное количество воды. Под полной влагоемкостью W _пв понимают суммарное содержание в грунте всех видов воды при полном заполнении всех пор. Полная влагоемкость — это максимально возможная влажность для данного грунта. Влагоемкость определяют по формуле вида (5.4) и выражают ее в процентах.

Кроме полной влагоемкости выделяют наименьшую влагоемкость W _нвхарактеризующую количество гигроскопической, пленочной и капиллярной влаги, остающейся в грунте после окончания свободного стекания воды (она составляет для песков 3—5%, супесей 10—12%, суглинков и глин 12—22%).

По аналогии с дефицитом влажности воздуха используют и понятие дефицита влажности грунта (или недостатка насыщения) d. Он равен разности между полной влагоемкостью и фактической влажностью грунта. Например, оперируя объемной влажностью, можно получить:

d=W _пв – W _об,(5.6)

Дефицит влажности обычно выражают в процентах.

Водоотдачей называется способность водонасыщенных грунтов отдавать воду путем свободного стекания. Коэффициент водоотдачи m представляет собой отношение объема стекающей из грунта свободной (гравитационной) воды к объему всего грунта, выраженное в долях единицы или в процентах. Удельная водоотдача — это количество воды, которое можно получить из 1 м³ грунта. Наибольшей водоотдачей обладают крупнообломочные породы. Водоотдача глин ничтожна.

Водопроницаемостью грунтов называют их способность пропускать через себя воду под действием силы тяжести или градиентов гидростатического давления. Водопроницаемость зависит от размера и формы частиц грунта, от размера и количества пор и трещин в грунте, его гранулометрического состава. Чем больше размер частиц грунта и однороднее его состав, тем больше его водопроницаемость. Если промежутки между крупными частицами грунта заполнены более мелкими частицами, водопроницаемость грунта снижается.

Водопроницаемость грунтов — очень важная характеристика при исследовании движения подземных вод.

Грунты по степени водопроницаемости подразделяют на шесть групп (табл. 5.1).

Таблица 5.1. Классификация грунтов по степени водопроницаемости*

Группы грунтов	Тип грунта	Коэффициент фильтрации Кф,м/сут
Высокопроницаемые   Хорошо водопроницаемые   Водопроницаемые     Слабоводопроницаемые     Весьма слабоводопроницаемые Практически водонепроницаемые (водоупоры)	Гравий, галька, сильно закарстованные породы Крупнозернистые пески, сильно трещиноватые породы Средне- и мелкозернистые пески, умеренно трещиноватые и закарстованные породы Суглинки, супеси, песчанистые глины, слаботрещиноватые породы   Тяжелые суглинки, глины   Плотные глины, нетрещиноватые скальные породы	> 100   10-100     0,1-10     10-3-10-1   10-6-10-3     <10-6

* По В. А. Всеволожскому.

 

Важно обратить внимание на то, что глины несмотря на большую пористость благодаря очень малым размерам пор обладают ничтожной водоотдачей и соответственно являются в целом водонепроницаемыми. Однако глинистые слои могут, хотя и медленно, все же фильтровать воду. Это необходимо учитывать при оценке питания подземных вод через толщи глины.

Капиллярностью грунта называют его способность содержать и пропускать капиллярную воду. Высота капиллярного поднятия зависит от размера капиллярных пор, гранулометрического состава грунта, температуры воды и других характеристик. Чем мельче крупность частиц грунта и мельче поры, тем больше высота капиллярного поднятия. Понижение температуры и увеличение минерализации воды ведут к увеличению вязкости воды и увеличению сил поверхностного натяжения, что повышает высоту капиллярного поднятия.

Высота капиллярного поднятия воды над уровнем грунтовых вод обратно пропорциональна диаметру капиллярных каналов и крупности частиц грунта. При диаметре зерен грунта более 2—2,5 см капиллярного поднятия не происходит. Высота капиллярного поднятия H в некоторых грунтах приведена ниже:

Грунт н, см

Песок крупнозернистый 2,0—3,5

» среднезернистый 3,5—12,0

» мелкозернистый 35—120

Супесь 120-350

Суглинки 350-650

Глины 650-1200