Происхождение подземных вод

Ниже поверхности земли встречаются три генетических типа воды: метеорная (атмосферная), погребенная (реликтовая) и магматическая (ювенильная) вода. Несомненно, большая часть подземных вод - это метеорная вода, которая поступает из атмосферы, выпадая в виде дождя или снега. Метеорная вода составляет почти 100% воды, участвующей в гидрологическом цикле, и является источником почти всех подземных вод.Погребенная вода - это вода, сохранившаяся в пространстве между частицами осадочных горных пород еще с тех пор, когда они откладывались на дне океана. В погребенной воде содержатся растворенные соли, но по химическому составу она обычно отличается от современной морской воды. В течение длительных геологических эпох, пока погребенная вода находилась в породах, в ней растворилось дополнительное количество солей, а также произошло отложение из нее во вмещающие породы минерального вещества.
Магматическая вода представляет собой воду, поступающую из магматических тел, расположенных на глубине, в которых первоначально может содержаться до 10% растворенной воды. Большая часть этой воды отжимается в окружающие породы, когда магма кристаллизуется с образованием магматических пород. Во время этого процесса из магматических вод могут осаждаться рудные минералы и образовываться, например, медная, свинцовая, цинковая и серебряная руды. Хотя все подземные воды возникли, вероятно, в результате магматической деятельности, в настоящее время количество воды, поступающее из этого источника, совсем невелико по сравнению с количеством метеорной воды, которая поступает из атмосферы. Вода горячих источников в областях современного вулканизма, возможно, отчасти имеет магматическое происхождение.

Контролирующие факторы

Распространение и движение подземных вод контролируются в основном пористостью и проницаемостью горных пород. Пористость. Заключенная внутри породы вода может заполнять крупные и мелкие трещины, зоны разломов, пустоты, образовавшиеся за счет растворения, межзерновое пространство, т.е. пустоты между отдельными минералами и зернами осадков, называемые порами. Пористость пород или почв - это отношение объема порового пространства к общему объему материала, включая поры. Таким образом, если в 1 л песка при полном насыщении водой содержится 0,3 л воды, то говорят, что пористость равна 30%, так как 0,3 общего объема приходится на пространство между зернами. У разных пород пористость различна: от менее 1% в нетрещиноватых гранитах до более 40% в слабо сцементированном песчанике. Выветрелые, сильно трещиноватые слоистые породы обычно обладают большей пористостью, чем массивные магматические породы.
Пористость осадочного материала зависит главным образом от формы и расположения слагающих его частиц, степени их сортировки, от цементации и уплотнения, которому подверглись отложения со времени их накопления, от выноса (выщелачивания) растворимых веществ и от характера трещиноватости. Проницаемость. Проницаемость породы или почвы измеряется их способностью пропускать жидкость. Проницаемость изменяется в зависимости от размера и формы пор и от того, в какой степени и насколько поры соединяются между собой. Проницаемые породы всегда пористы, но породы с высокой пористостью не обязательно обладают высокой проницаемостью. Например, вулканическая пемза с пенистым строением - порода с очень высокой пористостью, но очень низкой проницаемостью. Кусок пемзы может плавать много дней, потому что его поры не связаны между собой и воде трудно в них проникнуть. Однако слой, состоящий из частиц пемзы песчаной размерности, обладает высокой проницаемостью из-за большого количества сообщающихся пустот между частицами.
Скорость течения воды сквозь породу зависит от трения, которое воде приходится преодолевать: чем больше трение, тем меньше скорость. Трение вызывается взаимодействием воды и поверхности, с которой она соприкасается; следовательно, чем больше площадь этой поверхности, тем больше трение. В крупнозернистом песке и гравии, в которых между крупными зернами нет более мелких частиц, трение невелико; они, таким образом, хорошо проницаемы. С другой стороны, тонкозернистый материал, подобный глинам и глинистым сланцам, несмотря на высокую пористость, имеет большую площадь поверхности зерен, а значит, обеспечивает большое трение и поэтому является относительно непроницаемым.
Кроме того, тонкозернистая структура глин и глинистых сланцев обеспечивает большую площадь поверхности, к которой, за счет действия молекулярных сил, тонкая пленка воды прилипает так плотно, что вода не может течь. Эти породы имеют низкую проницаемость, и даже в том случае, если их пористость чрезвычайно высока, они являются плохими проводниками воды. Пласты одновременно и пористых, и проницаемых пород, содержащие большое количество воды, называются водоносными горизонтами.

Зональность подземных вод

При сооружении глубокого колодца обычно встречают две зоны подземных вод. В верхней части находится зона аэрации, в поровом пространстве которой может содержаться и вода, и воздух. Любая вода в этой зоне является подвешенной водой. Мощность зоны аэрации изменчива, так как ее нижняя граница определяется второй зоной, зоной насыщения, в которой поры заполнены подземными водами. Зона аэрации разделяется на три подзоны: подзону увлажнения почвы, промежуточную подзону и капиллярную оболочку. Границы этих подзон могут быть нечеткими. Подзона увлажнения почвы расположена сразу же под поверхностью земли. Она имеет особое значение, поскольку именно из нее большинство растений получает воду. Часть почвенной влаги испаряется прямо из почвы или посредством транспирации растениями.
Растения сильно увеличивают площадь поверхности, с которой влага может испаряться. Кроме того, часть снега и дождя, падающая на лесной полог, испаряется с листьев и ветвей и никогда не достигает земли.
С помощью растений из верхнего горизонта почвы удаляется большое количество воды. Транспирация растениями может быть равна испарению с поверхности свободной воды или даже превышать его. В областях с хорошо развитым растительным покровом она больше, чем испарение из подзоны увлажнения почвы. Корни некоторых растений могут достигать капиллярной оболочки или зоны насыщения и фактически отсасывать воду из подземного резервуара и вызывать понижение уровня подземных вод. Из растений такого типа чаще всего встречаются ива, тополь трехгранный и растущий на засоленных почвах можжевельник. Значительное обмеление или пересыхание некоторых рек на юго-западе США приписывается разрастанию можжевельника, высаженного в этом районе с декоративными целями более 100 лет назад. Считают, что уничтожение таких растений местами могло бы помочь сберечь подземные воды.
В промежуточной подзоне вода располагается ниже корневой системы многих растений, и, кроме того, вода из нее не испаряется. Через промежуточную подзону вода просачивается на более низкие уровни. У ее нижней границы, в подзоне, которая называется капиллярной оболочкой, имеется дополнительная влага. В капиллярной оболочке мощностью от нескольких сантиметров до нескольких метров вода всасывается в поры тонкозернистого материала под действием сил молекулярного притяжения между рыхлыми или несвязанными твердыми частицами и жидкой водой.
Ниже капиллярной оболочки вода заполняет большую часть пор в почве или породе, так что в колодце, если выкопать его до этой глубины, будет стоять вода. Это - зона насыщения, а заключенные в ней воды называются грунтовыми водами. Если породы достаточно проницаемы, то из этой зоны с помощью колодцев можно получать воду. Зеркало грунтовых вод. Верхняя граница зоны насыщения называется зеркалом, или уровнем, грунтовых вод. Зеркало грунтовых вод имеет тенденцию в сглаженном виде повторять конфигурацию поверхности земли: под возвышенностями высота его больше, чем под соседними долинами. В горных районах со средним количеством выпадающих осадков уровень грунтовых вод может располагаться на несколько сотен метров ниже поверхности земли. В областях с сухим климатом, где дождей выпадает мало, а испарение велико, зеркало грунтовых вод может находиться на очень больших глубинах. Вблизи постоянно текущих рек, озер или других водоемов зеркало грунтовых вод приближается к поверхности земли. Уровень подвешенных грунтовых вод. Масса воды в проницаемой породе может находиться в подвешенном состоянии в зоне аэрации выше главного уровня грунтовых вод. В аридных и полуаридных областях линзы подвешенной воды могут быть важным источником воды. Обычно они располагаются над телами водонепроницаемых пород, имеющими неправильную форму, или в линзах и клиновидных толщах песка и гравия, которые улавливают и удерживают просачивающуюся вниз воду. Если в такой ситуации, копая колодец, нарушить водонепроницаемый слой, то последствия будут гибельными: линза подвешенной воды уйдет вниз.
На северо-востоке Северной Америки в некоторых частях территории, испытавшей оледенение, где большие площади покрыты мощным слоем глинистых ледниковых наносов, выше регионального уровня грунтовых вод могут располагаться также озерные котловины. В таких озерах подвешенная вода сохраняется, а не просачивается вниз, к главному зеркалу грунтовых вод, благодаря водонепроницаемым слоям глины между дном озера и региональным уровнем грунтовых вод. Накопление на дне котловин органогенно-обломочного материала может уменьшать проницаемость пород до такой степени, что становится возможным формирование и сохранение озер. Инфильтрация - просачивание воды вниз через зону аэрации к зеркалу грунтовых вод - зависит от количества и интенсивности выпадающих осадков, рельефа местности, проницаемости породы или почвы и характера растительности.
Сначала, когда капли слабого дождя начинают падать на проницаемый материал, например на песчаную почву, поверхностного стока не происходит. Он не возникает до тех пор, пока самый верхний слой почвы не будет насыщен водой. Если же дождь выпадает на водонепроницаемый материал, то вода немедленно
стекает по его поверхности. Это различие связано с проницаемостью поверхностного слоя: почвы, мостовой или любого другого материала.
Чем круче наклон поверхности, тем больше воды стекает. На почти ровной поверхности скорость течения воды ничтожна, и поэтому вода может просачиваться в течение длительного времени. Растения, растительные остатки и мелкие неровности рельефа препятствуют стоку поверхностных вод и увеличивают время, в течение которого может происходить инфильтрация.
При наклонном залегании слоев под землю уходит больше воды, чем при горизонтальном их положении. Вода, проходящая через наклонные пласты, следует по наиболее проницаемым горизонтам. Если слои коренных пород или почвы лежат горизонтально, то скорость инфильтрации лимитируется слоями с наименьшей проницаемостью, через которые вода должна пройти.