Зарегистрировано №______ «_ »_______ 2018г. _________________ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» ( Н И У « Б е л Г У » ) ИНСТИТУТ НАУК О ЗЕМЛЕ Кафедра прикладной геологии и горного дела ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ И ИХ ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ Курсовая работа по дисциплине «Общая геология» студента очной формы обучения специальность 21.05.02 Прикладная геология 1 курса группы 08001805 Олейник Данил Петрович Допущен к защите «___»____________2018 г. ________ ____________________ Подпись Научный руководитель: к.т.н, доцент Игнатенко Игнат Михайлович (расшифровка подписи) Оценка______________________ «___»____________2018 г. ________ ____________________ Подпись (расшифровка подписи) БЕЛГОРОД 2018 Содержание: ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………..3 1. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ПОДЗМЕМНЫХ ВОД...................................………........4 2. ВИДЫ ВОДЫ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ………………….......…………………..7 3. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД............................................………...9 4. ИСТОЧНИКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД...................................…………………….10 5. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД................................................13 6. МИНЕРАЛЬНЫЕ ВОДЫ......................................................................................18 7. КАРСТ, СУФФОЗИЯ И ГИДРОВУЛКАНИЗМ.................................................20 ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………………..26 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ И СТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ……........27 ВВЕДЕНИЕ Актуальность курсового исследования. Подземные воды играют существенную роль в ходе геологического развития земной коры. Их широкое и повсеместное распространение и подвижность приводят к постоянному взаимодействию с горными породами, к перераспределению вещества, к образованию и разрушению месторождений полезных ископаемых и т. д. Геологическая работа подземных вод прежде всего выражается в химическом взаимодействии с горными породами — в растворении, гидратации, гидролизе, карбонатизации, окислении, выщелачивании, переносе вещества. Растворение, выщелачивание, перенос и переотложение пород подземными водами наглядно проявляются при образовании карста и суффозии. Подземные воды играют громадную роль в природе, участвуя практически во всех физико-географических процессах, происходящих в литосфере. Благодаря их перемещению происходит перенос растворенных веществ, растения получают питательные соли и влагу. Подземные воды активно влияют на формирование рельефа: оползни, суффозия, карст, термокарст; вызывают при определенных условиях заболачивание. Они участвуют в питании рек и озер, являясь при этом самой устойчивой частью стока. Неоценимо ресурсное значение подземных вод. Вопервых, они используются для водоснабжения. Во-вторых, из подземных вод извлекают многие тонны химического сырья: глауберовой соли, борной кислоты, буры и т. д.; получают металлы: цезий, литий, радий, актиний, торий. Разработана технология извлечения из подземных вод стронция, рубидия, мышьяка, вольфрама, калия, магния, бора. Целью данного курсового исследования является изучение происхождения, классификации, источников, химического состава подземных вод. Задачами курсового исследования являются: 1. Изучить классификацию подземных вод; 2. Описать виды залегания подземных вод; 3. Выявить значимость подземных вод; 4. Определить свойства и виды подземных вод по химическому составу; 5. Рассмотреть виды воды по их происхождению. Методами исследования являются: анализ источников литературы по теме курсового исследования, методы сравнения. Объектом курсового исследования являются: подземные воды. Структура курсового исследования включает в себя введение, семь глав, заключение, список использованных источников и литературы 3 1 ПРОИСХОЖДЕНЕ ПОДЗЕМНЫХ ВОД Исходя из происхождения, подземные воды разделяются нескольких типов: 1) инфильтрационные (Рисунок 1.1), 2) конденсационные, 3) седиментогенные, 4) «ювенильные» (или магмогенные) [1]. Рисунок 1.1 — Инфильтрация воды Инфильтрационные подземные воды образуются в результате просачивания в глубину атмосферных осадков, выпадающих на поверхность земли. На Земле происходит непрерывный влагооборот, в котором принимают участие атмосферные, поверхностные и подземные воды. Вода океанов, морей, рек под влиянием солнечного тепла испаряется и насыщает газом воздух. Воздушные массы, непрерывно перемещаясь, переносят пары в пределы суши, где при благоприятных условиях они 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. Третьи 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 [1]. 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 огромной испаряемости в пустынях для пополнения подземных вод путем инфильтрации. Между 4 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» [1]. Выдвинута 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 перемещении влаги в различных состояниях [1]. 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 [1]. 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 [1]. 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 5 конденсацией водяных паров Л. Ф. Лебедев всегда отводил большую роль и процессам инфильтрации [1]. Седиментогенные подземные воды (лат. scdimen-tum — осадок). Это воды морского генезиса, образовавшиеся в процессе накопления морских осадков последующего их изменения [1]. Морская вода с растворенными в ней 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 алеврито-глинистых осадках. Благоприятные условия для формирования седиментогенных подземных вод создаются на большой глубине (несколько километров) при захоронении их мощными водонепроницаемыми или слабопроницаемыми слоями. Вместе с тем в ходе геологического развития под влиянием различных факторов седиментогенные воды претерпевают значительные изменения. Иногда происходит смена их с водами других генетических типов, или даже полное вытеснение их инфильтрационными водами. «Ювепильные» 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[2]. 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. 6 2 ВИДЫ ВОДЫ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ В горных породах вода находится в порах и пустотах (полостях) в таких агрегатных состояниях: в виде пара (парообразная), жидкости и твердого тела (лед) [2]. Парообразная вода располагается в верхней толще земной коры. В этой зоне постоянно и постепенно осуществляется обмен между воздухом и паром атмосферы, между воздухом и паром пустот и пор горных пород. Поэтому эта зона получила название зоны аэрации (Рисунок 2.1). Мощность ее неодинакова и зависит от типа пород, климатических условий местности и достигает иногда 12 - 16 м от поверхности Земли. Рисунок 2.1 — Схема залегания типов подземных вод зоны аэрации: 1 - породы зоны аэрации, 2 - грунтового водоносного горизонта, 3 - слабопроницаемые породы, 4 - почвенный слой, 5 - уровень грунтовых вод и капиллярная кайма, 6 - верховодка 7 Жидкая вода, или вода в виде жидкости, подразделяется на два типа: свободную, или гравитационную, и капиллярную. Капиллярная вода содержится в горных породах с капиллярными порами и трещинами, ширина (раскрытие) которых меньше 0,25 мм, а диаметр пор менее 1 мм. Содержится капиллярная вода за счет капиллярных (менисковых) сил [2]. Формируется она за счет атмосферных осадков и таяния снега, а также за счет повышения по законам капиллярного движения от нижних водонасыщенных горных пород. В практике строительства большое значение имеет высота капиллярного поднятия и время капиллярного водонасыщения. Высотой капиллярного поднятия называется расстояние по вертикали, на которую поднимается вода по капиллярам от подземного водоносного горизонта. Высота этого поднятия не зависит от литологического и гранулометрического состава горных пород и может быть определена экспериментально или по формуле французского ученого Жюрена: Нк = Ск / d, где Ск - 0,3 - постоянная капиллярного смачивания при температуре 0 °С; dдиаметр пор или раскрытия трещин, мм [2]. Время капиллярного поднятия - это время, в течение которого происходит полное заполнение капилляров водой. Он неодинаков для различных горных пород: в песках около 80, в глинистых грунтах - 350 ÷ 475 суток. Гравитационная вода. Эта вода не связана с поверхностью частиц и не удерживается Менисковый силами. Она способна перемещаться под действием силы тяжести, то есть под действием разности напоров. Такая вода используется для водоснабжения, и как раз она создает трудности при проходке котлованов и строительстве подземных сооружений. Гравитационная вода является основным предметом нашего рассмотрения [2]. Физически связанная вода образуется за счет адсорбции поверхностью породных частиц в процессе конденсации водяного пара и содержится за счет электромолекулярных сил. Этот первый на поверхности частиц слой воды называется гигроскопической или минеральной водой. Она испаряется при температуре 105-110 °С, не передает гидростатического давления и замерзает при температуре – 70-80 °С [2]. Молекулы воды по своей природе диполями, т.е. имеют ориентацию полюсов. Поэтому первый от поверхности частиц слой воды - гигроскопическая вода удерживает второй и последовательные слои ориентированных молекул, но со значительно меньшей силой. Второй и последующие слои называются пленочной или хрупкотелой водой. Они исчезают при температуре до 105 °С, а 8 замерзает пленочная вода при температуре -17-18 °С. Пленочная вода движется от частиц с более толстой пленкой до частиц с меньшей толщиной пленки [8]. Количество физически связанной воды больше там, где больше удельная поверхность частиц. Например, в монтмориллонитовой глине в 1 см3 содержится более 25 млрд. частиц и при увлажнении она физически связанной воды более 100% объема самих частиц. В песчаных породах всего 1-2% физически связанной воды. Химически связанная вода входит в состав кристаллической решетки и изымается при ее разрушении. Например, в гипсе CaSO4 · 2H2О. Первая молекула воды удаляется при температуре 118 ° С, вторая - при 40 ° С. Таким образом образуется ангидрит (алебастр). С этим явлением связан эффект приготовления вяжущих (дегидратация-гидратация) [2]. Вода в твердом состоянии имеет место в горных породах при отрицательных температурах до определенной глубины от поверхности. В твердое состояние переходит гравитационная и частично пленочная вода. Это явление носит сезонный характер, а глубина промерзания зависит от климатических условий местности. Так, в Украине она составляет 70 - 110 см, а на севере таких стран, как Канада, Россия на некоторой глубине сохраняется постоянно. Это зона вечной мерзлоты. При замерзании воды образуется кристаллический лед, и при этом объем увеличивается на 8 - 9%, а в условиях ограничения деформации развивается большое давление (до 1 ГПа), разрушая любые материалы и горные породы. Поэтому подошвы фундаментов всегда закладывают ниже глубины промерзания 9 3 КЛАССИФИКАЦИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД В основу классификации подземных вод могут быть положены различные признаки: способ образования, условия залегания, гидравлические свойства, литологический состав водоносных пород, их возраст, физические свойства подземных вод, их химический состав [3]. По условиям образования подземные воды подразделяются на различные группы, из которых важнейшее значение имеют воды инфильтрационные и частично конденсационные. По условиям залегания и характеру вмещающих горных пород подземные воды делятся на следующие типы: поровые, залегающие и циркулирующие в порах горных пород, которые слагают самую поверхностную часть земной коры; пластовые, залегающие и циркулирующие в порах или трещинах осадочных горных пород, перекрываемых и подстилаемых водоупорными породами; в свою очередь подразделяются на порово-пластовые и трещиннопластовые; трещинные, циркулирующие в скальных (магматических, метаморфических и осадочных породах, пронизанных равномерной трещиноватостью; карстовые, циркулирующие в массивах карбонатных, гипсоносных и соленосных раскарстованных пород; трещинно-жильные, циркулирующие в отдельных тектонических трещинах и зонах тектонических разломов [3]. По гидравлическим свойствам подземные воды делятся на безнапорные, и напорные, когда водоносный горизонт перекрыт сверху водоупорной породой и находящаяся в нем подземная вода, испытывает гидростатическое давление, обусловливающее напор [3]. В зависимости от возраста водовмещающих пород подземным водам присваивается соответствующее наименование: воды каменноугольных отложений, юрских, меловых, третичных и т. п. По степени минерализации, или по содержанию растворенных солей, подземные воды подразделяются на следующие виды: пресные, содержащие до 1 г/ л растворенных веществ; солоноватые, содержащие 1-10 г/л солей; соленые (10-50 г/л); рассолы (свыше 50 г/л). По температуре подземные воды подразделяются на четыре типа: холодные с температурой ниже 20° С; теплые (20-37° С); 10 горячие (37-42° С); очень горячие (термы) с температурой свыше 42° С [3]. На практике существенное значение при характеристике и оценке подземных вод имеет не только общее содержание растворенных солей, но и состав этих солей. В зависимости от преобладания растворенных в воде солей различают воды гидрокарбонатные, сульфатные и хлоридные, а по катионам — кальциевые, магниевые и натриевые. Помимо солей в подземных водах всегда содержатся различные газы — углекислота, азот, сероводород и др., часто имеющие большое практическое значение. В зависимости от практической значимости растворенного в воде газа различают углекислые, сероводородные, радоновые и другие виды подземных вод. В большинстве случаев подобные воды имеют лечебное значение. Подземные воды, обладающие теми или иными лечебными свойствами, называются бальнеологическими. Подземные воды, содержащие в растворенном виде какое-либо вещество в концентрациях, при которых возможно извлечение этого вещества, называются промышленными: йодные, бром-йодные, бромные [3]. 11 4 ИСТОЧНИКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД Источник – естественный выход подземных вод на земную поверхность. Он появляется там, где водоносный горизонт пересекается земной поверхностью (в понижениях уровня рельефа, на склонах оврагов, балок) [4]. Подземные воды находятся в порах и трещинах горных пород в верхней части земной коры. Верхняя граница водонасыщенной зоны называется зеркалом, т.е. уровнем подземных вод. Там, где водоносные горизонты пересекаются с земной поверхностью, возникают источники. Поскольку глубина грунтовых вод меняется в зависимости от сезона и количества выпадающих осадков, источники могут внезапно исчезать, быть просачивающимися, капельными или бить ключом. Источники на склонах холмов. В районах с расчлененным рельефом часть воды, которая просачивается в грунт в верхней части холма, может снова выйти на поверхность ниже по склону в виде источника, расположенного выше уровня водотока. Это происходит, если зеркало грунтовых вод выше уровня водотока. Источники возникают там, где вода при движении вниз встречает водоупорный горизонт, а затем выходит на поверхность в месте обнажения водопроницаемых пород. Расход воды источников на склонах холмов обычно невелик и изменчив [4]. Артезианские источники. Вода, поступающая в пористые проницаемые слои, перекрытые водонепроницаемыми породами, может под давлением фонтанировать в низко расположенных выходах, образуя артезианский источник. Иногда артезианские водоносные горизонты занимают значительную площадь, и тогда артезианские источники имеют высокий и довольно постоянный расход воды. Часть известных оазисов северной Африки приурочена к таким артезианским источникам. Там, где имеются разломы в земной коре, артезианские воды поднимаются из водоносных горизонтов вдоль линий разломов. В период между сезонами дождей они нередко иссякают [4]. Карстовые источники. Крупнейшие в мире источники часто связаны с выходом вод из карстующихся известняков. Содержащие углекислый газ просачивающиеся воды способны растворять известняки, поэтому во многих районах, сложенных известняками, распространены карстовые пещеры и каналы. В таких районах довольно часто встречаются подземные реки и очень крупные карстовые источники, например, воклюз на юге Франции, считающийся одним из самых мощных в мире, и Силвер-Спрингс во Флориде, славящийся поразительной чистотой воды. Воклюзы отличаются значительным водяным дебитом и непрерывностью стока. В сутки из крупного воклюза может вытекать до 90 тысяч кубических метров воды. В России известно несколько крупных воклюзов: на Алтае, в Чингизских горах и в районе хребта Каратау [4]. 12 Источники в пористых лавах. Крупные источники имеются в местах выхода подземных вод из горизонтов, сложенных пористыми трещиноватыми лавами. Например, группа таких источников, приуроченных к лавовому плато, питает р.Снейк ниже водопада Шошони (шт. Айдахо) [4]. Горячие источники. Большинство горячих источников приурочено к вулканическим областям, в которых вода нагревается от горных пород, верхних слоев земной коры, расположенных вблизи вулканов, хотя, возможно, часть воды имеет магматическое происхождение. В некоторых горячих источниках (например, Уорм-Спрингс в Виргинии) высокая температура воды обусловлена подъемом воды с больших глубин (ведь температура пород повышается примерно на 1° С с увеличением глубины на 30 м) [4]. Минеральные источники. Вода минеральных источников содержит значительное количество растворенных химических веществ. Теплые и горячие источники обычно имеют более высокую минерализацию, поскольку химические реакции протекают более интенсивно при повышенных температурах[5]. Гейзеры – горячий источник, периодически выбрасывающий фонтаны горячей воды и пара под давлением. Гейзеры являются одним из проявлений поздних стадий вулканизма (рис 4.1) [4]. Рисунок 4.1 — Гейзер 13 5 ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД Химический состав подземных вод неодинаков и зависит от растворяемости прилегающих пород. Подземные воды представляют собой природные растворы, содержащие свыше 60 химических элементов, а также микроорганизмы. Сумма растворенных в воде веществ, исключая газы, определяет её минерализацию (выражаемую в г/л или мг/л) [5]. По химическому составу различают следующие виды подземных вод: - пресные (до 1 г солей на 1 л воды), - слабоминерализованные (до 35 г солей на 1 л воды), - минерализованные (до 50 г солей на 1 л воды) [5]. При этом верхние горизонты подземных вод обычно пресные или слабоминерализованые, а нижние горизонты могут быть сильноминерализованными. Подземные воды, которые благодаря своим физико-химическим свойствам оказывают благотворное физиологическое воздействие на организм людей и используются для лечебных целей, называются минеральными. Химический состав минеральных вод весьма разнообразный: бывает углекислая вода (Кисловодск и другие курорты района Кавказских Минеральных вод, Боржоми, Карлови-Вари и др.), азотная (Цхал-тубо), сероводородная (Мацеста), железистая, радоновая и др [5]. Классификация подземных вод по химическому составу по В.И. Вернадскому. По В.И. Вернадскому по степени общей минерализации выделяют воды: пресные (до 1 г/л), солоноватые (1 —10 г/л), соленые (10—50 г/л), рассолы (более 50 г/л) - в ряде классификаций принято значение 36 г/л, соответствующее средней солёности вод Мирового океана [5]. В бассейнах Восточно-Европейской платформы мощность зоны пресных подземных вод варьирует от 25 до 350 м, солёных вод — от 50 до 600 м, рассолов — от 400 до 3000 м [10]. Приведенная классификация указывает на значительные изменения в минерализации воды – от десятков миллиграммов до сотен граммов на 1 литр воды. Максимальная величина минерализации, достигающая 500 – 600 г/л, встречена в последнее время в Иркутском бассейне. 14 Классификация подземных вод по химическому составу по А.М. Овчинникову. В последующем А.М. Овчинниковым и другими исследователями дано более дробное подразделение подземных вод по их минерализации (табл. 1) [5]. 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 Са(НСО3)2 непригодны[6]. Таблица 1 — Общая минерализация и химический состав подземных вод (по А.М. Овчинникову) Характеристика вод Ультра-пресные Общая минерализация, г/л Химический состав по В.И. Вернадскому <0,2 Обычно гидрокарбонатные Пресные 0,2 – 0,5 Пресные Воды с относительно повышенной минера-лизацией 0,5 – 1 Солоноватые 1–3 Гидрокарбонатносульфатные Сульфатно-хлоридные Солоноватые Соленые 3 – 10 Преимущественно хлоридные Воды повышенной солености 10 – 35 Соленые Воды, переходные к рассолам 35 – 50 Хлоридные Рассолы 50 – 400 (500) Рассолы 15 Основные свойства подземной воды – щелочность, соленость и жесткость В подземных водах содержатся различные химические элементы, но подавляющее большинство их – в ничтожных количествах. Наиболее pacпространены ионы Cl–, SO42–, НСО3–. Na+, Са2+, Mg2+ иногда в заметных количествах NH4+, К+, Fe2+ и Mg2+, а из газов СО2, О2, реже H2S, N2 [6]. Различные сочетания первых основных шести элементов и определяют основные свойства подземной воды – щелочность, соленость и жесткость. Так, например, при значительной концентрации ионов Na+ и Cl– – вода приобретает соленый вкус, а при большом содержании ионов Na + и НСО3– приобретает щелочные свойства. Химический состав подземных вод. Классификация по преобладающим анионам и катионам Классификация подземных вод по химическому составу в большинстве случаев производится по преобладающим анионам и катионам. Так, выделяются следующие наиболее распространенные классы: 1) гидрокарбонатные воды (НСО3–>25 экв-%); 2) сульфатные воды (SO42–>25 экв-%); 3) хлоридные воды (Cl–>25 экв-%); 4) воды сложного состава: хлоридно-гидрокарбонатные, сульфатногидрокарбонатные, хлоридно-сульфатные и другие еще более сложного состава. По соотношению с катионами каждый из них может быть натриевым, или кальциевым, или магниевым, или смешанным – кальциево-магниевым, натриевокальциевым и др. Это хорошо выражено в классификации, предложенной С.А. Шукаревым и в последующем видоизмененной Н.Н. Славяновым (табл. 2) [6]. 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-сульфатнокальциевые, к 49-му – хлоридно-натриевые. Как видно из табл. 2, отчетливо проявляется закономерность изменения химического состава подземных вод с увеличением их минерализации от гидрокарбонатных к хлоридным. 16 Таблица 2 — Классификации подземных вод по химическому составу по преобладающим анионам и катиона. Анионы ⇒ ⇓ Катионы Cа 2+ C 2+ 2+ Cа Mg 2+ Mg НСO3– 1 2 НСО3–, SO42– 8 9 1 НСО3–, SO42–, Сl– 5 НСО3–, Сl– 2 3 2 1 2 3 1 1 3 1 9 2 5 2 0 2 6 Na+ 6 1 2 8 2 4 Na+, Mg2+ 5 1 1 7 N Na+, Cа2+Mg2+ 4 1 0 1 6 M + 2+ Na Cа 2 7 7 14 21 28 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 [6]. Факторы, влияющие на химический состав подземных вод. Минерализация и химический состав подземных вод зависит от сочетания ряда факторов: происхождения вод, взаимодействия подземных вод с вмещающими породами, условий водообмена. Рассмотрим влияние этих факторов [6]. Происхождение вод – первый фактор, влияющий на химический состав подземных вод. Инфильтрационные воды, образующиеся за счет поступления с поверхности, обычно имеют низкую минерализацию, по химическому составу эти подземные воды преимущественно гидрокарбонатные кальциевые и магниевые, обогащённые кислородом. Конденсационные воды пресные. Седиментационные воды, образованные за счёт захоронения древних вод морского происхождения, обычно наследуют особенности состава последних – они хлоридные натриевые или хлоридные кальциево-натриевые. Захороненные воды ледниковых отложений ультрапресные. Эндогенные воды (и воды, развитые в зоне влияния потоков эндогенных флюидов) отличаются большим разнообразием по составу. Содержащиеся в их составе летучие компоненты (CO2, HCl, H2S и др.) придают им высокую агрессивность, способствующую выщелачиванию вмещающих пород и 17 формированию сложного химического состава вод (например, известная группа Кавказских минеральных вод - «Ессентуки», «Новотерская» и др., связанных с областью внедрения неогеновых магматических пород) [6]. Взаимодействие с вмещающими породами – второй фактор, влияющий на химический состав подземных вод. Воды, фильтруясь через толщи пород, растворяют их, обогащаясь рядом элементов. Так при растворении соленосных толщ сложенных галитом воды (NaCl) приобретают хлоридный натриевый состав; при фильтрации через известняки - гидрокарбонатный кальциевый и т.д. Условия водообмена - третий фактор, влияющий на химический состав подземных вод. Условия водообмена определяют интенсивность участия подземных вод в гидрологическом цикле. В зоне интенсивного водообмена, где интенсивно протекают процессы круговорота вод («разбавление» вновь поступающими пресными инфильтрационными водами, разгрузка водоносных горизонтов родниками, относительно недолгое время взаимодействия с вмещающими породами) воды чаще гидрокарбонатные, богатые кислородом и азотом (газами воздушного происхождения), с низкой минерализацией. В зоне замедленного водообмена свойственны солоноватые воды многокомпонентного состава. Зона весьма замедленного водообмена, соответствующая нижней части артезианских бассейнов, представлена преимущественно солёными водами и рассолами (с минерализацией до 600 г/л), содержащим углеводородные газы и сероводород [6]. 18 6 МИНЕРАЛЬНЫЕ ВОДЫ Минеральная вода — это вода, которая содержит в своем составе растворённые соли, микроэлементы, а также биологически активные компоненты[7]. Минеральные воды разделяют на: минеральные природные питьевые воды, минеральные воды для наружного применения и другие. Минеральные воды также имеют важное бальнеологическое значение, их используют в санаторно-курортном лечении. Воды для наружного применения используются для ванн, купаний, душей, проводимых в бальнеолечебницах, в лечебных бассейнах, для ингаляций, полосканий при заболеваниях носоглотки и верхних дыхательных путей, для орошений и промываний полых органов и других подобных целей[7]. Минеральными природными питьевыми водами называются те воды, которые добыты из водоносных горизонтов или водоносных комплексов, защищённых от антропогенного воздействия, сохраняющих естественный химический состав, относящиеся к пищевым продуктам и при повышенной минерализации или при повышенном содержании определённых биологически активных параметров, которые оказывают лечебнопрофилактическое действие. Природными минеральными водами не считаются: - смесь подземных вод из водоносных горизонтов с различными условиями формирования их гидрохимических видов или смесь подземных вод разных гидрохимических видов; - смесь природной минеральной воды с питьевой водой, с искусственно минерализованной водой [7]. Минеральная питьевая вода бывает прозрачной, бесцветной или с оттенками от желтоватого до зеленоватого цвета жидкостью, с вкусом и запахом, характерным для содержащихся в ней веществ. В минеральной воде возможен осадок содержащихся в ней минеральных солей[7]. Параметры для отнесения вод к «минеральным» в той или иной степени отличаются у разных исследователей. Всех их объединяет происхождение: то есть минеральные воды — это воды, добытые или вынесенные на поверхность из земных недр. На государственном уровне, в ряде стран ЕС законодательно утверждены определённые критерии причисления вод к категории минеральных. В национальных нормативных актах относительно критериев минеральных вод нашли своё отображение гидрогеохимические особенности территорий, которые присущи для каждой страны. В России принято понятие В. В. Иванова и Г. А. Невраева, данное в работе «Классификация подземных минеральных вод» (1964 г.) [7]. 19 В США минеральной водой считается вода с общей минерализацией не менее 250 мг на дм³ при условии, что она происходит из подземного и физически защищённого источника, характеризующего постоянным уровнем, постоянной пропорцией концентрации компонентов. Закономерности распространения минеральных вод (в общем виде) обусловливаются геолого-структурными особенностями, геологической историей данной территории, а также геоморфологическими и метеорологическими факторами. Для глубоко залегающих частей предгорных залегающих частей предгорных впадин характерны высокоминерализованные минеральные воды и даже рапа, обогащенная сероводородом. В глубоких горизонтах платформенных впадин распространены хлоридно-кальциевые и хлоридно-натриевые воды; выше лежит зона сульфатных вод и, наконец, в наивысшей зоне — воды гидрокарбонатного типа. В границах кристаллических массивов и щитов встречаются минеральные воды разнообразного химического состава. С массивами кислых кристаллических пород чаще связаны радиоактивные минеральные воды[7]. Минеральные воды могут быть грунтовыми (изливаются на поверхность самотёком) и напорными (артезианскими, фонтанирующими) [7]. Углекислые воды молодых складчатых структур распространены на Кавказе, Памире, Саянах, Камчатке, в Закарпатье, Южном ТяньШане, Забайкалье и других местах. Эти воды принадлежат к широко известным типам минеральных вод — северо-кавказскому Нарзану, Боржоми (Грузия), Арзни (Армения) и Ессентуки (КавМинВоды). Азотные воды зачастую оконтуривают области углекислых минеральных вод и связаны с зонами тектонических разломов и трещинами извержённых пород. Азотные минеральные воды известны на Тянь-Шане и Алтае, горячие азотные воды в Тбилиси, Краснодаре и Пятигорске. Горячие радиоактивные минеральные воды встречаются в Киргизии, Грузии, Мироновской группе (Мироновка Киевской области), Полонской группе курортов и других. Сероводородные минеральные воды на Черноморском побережье Кавказа (Сочи, Мацеста, Кудепста и Хоста) и КавМинВодах (озеро Провал и «Лермонтовский» Пятигорска, Гаазо-Пономаревский источник Ессентуков), в Дагестане (Талги) и Терско-Сунженской возвышенности (СерноводскКавказский), в Прикарпатье (Трускавец(в том числе сернистые углеводороды), Немиров, Великий Любень, Шкло) и Приуралье, Ферганской долине и так далее. Сероводородные минеральные воды сопутствуют нефтяным месторождениям и природному газу, а также газам вулканических извержений. Глауберовые, соляные и соляно-щёлочные минеральные источники известны в предгорьях Карпат и Крыма [8]. 20 7 КАРСТ, СУФФОЗИЯ И ГИДРОВУЛКАНИЗМ Известны такие процессы, связанные с подземными водами, которые являются относительно быстротечными с ярко выраженным разрушительным эффектом. К этим процессам относятся суффозия, карстообразование, гидровулканизм. Любой из этих процессов будет проявляться только в определенной геологической обстановке [9]. Карстообразование – система процессов растворения скальных горных пород, их разрушения, а также перемещение компонентов коррозии и эрозии подземными водами с рождением в массиве горной породы к а р с т а – совокупности характерных форм рельефа и пустот. Практически всегда в любой крупной полости при превышении её критического максимума происходит обрушение потолка и образование свода естественного равновесия. Карстообразование как процесс и карст , как результат данного процесса характерны для воднорастворимых пород: карбонатных (мел), сульфатных (ангидрит, гипс), хлоридных (калийная и каменная соль) [9]. Карст разделяют на: о т к р ы т ы й (обнаженный), когда карстующиеся породы выходят на дневную поверхность, п о к р ы т ы й – под покровом четвертичных пород, п о г р е б е н н ы й , перекрытый исходя из нисходящих тектонических движений мощной толщей пород. Стандартные формы карста – воронки, карры, поноры, долины, полья, котлованы. К а р р ы – совокупность желобов, который разделен выступами, возникающие под действием струй вод (рис 7.1). Иногда они покрывают большие площади известняковых массивов, образуя к а р р о в ы е поля, ко торые придают ландшафту вид каменной полупустыни. По крупным трещинам на поверхности массива иногда образуются р в ы глубиной до 20 метров и протяженностью до километра. Рисунок 7.1 — Карры 21 В местах пересечения трещин появляются углубления, которые разрабатываются в карстовые в о р о н к и (рис. 7.2). Их размер может достигнуть 100 метров в поперечнике и до 30-ми метров глубиной. Рисунок 7.2 — Карстовая воронка С различным периодом времени карстовые воронки расширяются и сливаясь, образуют понижения, как принято с крутыми склонами и плоским дном – карстовые к о т л о в и н ы. Достигают они площади до многих десятков километров, и самые крупные называются п о л ь я. Области развития карста характеризуются провалами, сухими или слепыми (с замкнутым нижним концом) долины, которые обусловлены уходом под землю рек, карстовых озёр, ручьёв. Реки и ручья, ушедшие под землю, пройдя по карстовым ходам, ниже по рельефу вновь появляются на поверхности из пещеры и расщелины в скале. В пещерах карстовые колодцы иногда достигают до 20 м в поперечнике и до 300 м глубиной, а горизонтальные полости образуют лабиринт ходов разнообразного сечения – от расщелин до залов в сотни метров и высотой около 30 м. Для некоторых пещер характерно этажное развитие горизонтальных плоскостей. Длина ходов в карстовых пещерах может достигать от десятка до сотни километров. Суффозия – вынос нисходящими водами твердых частиц рыхлой породы (рис. 7.3). Она чаще всего развивается в глинах, песках и гравийных грунтах в условиях интенсивной инфильтрации подземных вод и высокой скорости фильтрационного потока [10]. Результат суффозий есть мелкие понижения поверхности (блюдца или западины) глубиной до 3 м и диаметром до 10 м. 22 Суффозия может развиваться в трещинах скальных горных пород, которые заполнены несвязным обломочным материалом, и в зоне выветривания этих пород, представленной, как правило, перемещаемостью связного и несвязного материала. Ущерб от суффозии связан с деформациями сооружений и зданий в результате неравномерной усадки пород у их основания, а также с резким увеличением водопроницаемости пород, что приводит к большому притоку воды в котлованы. Рисунок 7.3 — Суффозия Гидровулканизм. Геологическое явление, которое связано с деятельностью напорных подземных вод. Распространение формой гидровулканизма является грязевой вулканизм – урон напорными водами горных пород на глубине и перемещение их по каналу на земную поверхность с образованием г р я з е в ы х в у л к а н о в – сооружений, напоминающих магматические вулканы (рис. 7.4) [10]. Грязевой вулканизм распространен в горно-складчатых поясах – Средиземноморско-Гималайском или Тихоокеанском. Грязевые вулканы расположены в сводах антиклинальных складок, которые осложнены разрывными нарушениями. Движущей силой, обусловливающей возникновение грязевых вулканов, является высокое пластовое давление, которое превышает гидростатическое в 2,5 раза. 23 Главный компонент извержений грязевых вулканов – разжиженный материал глинистых пород (грязь), который содержит обломки твердых пород, таких как песчаник и известняк, которые присутствуют в разрезе осадочной толщи, прорываемой вулканом. Извержения грязевых вулканов проявляются различными способами. В основном для них характерны две стадии – э к с п л о з и в н а я и г р и ф о н н а я. Первая кратковременная, характеризуется мощными выбросами грязи и обломков пород до 80 м, бурными выделениями углеводородных газов, сильными шумовыми эффектами. Грифонная более длительная стадия и отличается спокойным выделением сравнительно небольших по объему масс грязи, газов, воды [10]. Активная деятельность грязевого вулкана сменяется затишьем и закупоркой канала вулкана продуктами извержения, цементацией, что создает экран для газов, которые поднимаются. По мере накопления газов их давление усиливается и по достижению критической величины снова происходит прорыв напорных вод. Рисунок 7.4 — Грязевой вулкан в Керчи Иногда грязевые вулканы располагаются внутри локальных брахиформных синклиналей, заполненных продуктами извержениями. Данные синклинали образуются в результате прогибания осадочных пород, возникающей вследствие выноса большого объема разжиженной глины и обломков пород. Грязевулканические аппараты называются г р я з е в ы м и с о п к а м и , или с а л ь з а м и. Встречаются они самостоятельно или сопровождают грязевые вулканы. Параметры сальз: высота 3-20 м, диаметр кратера 1-2 м, а основание 15-100 м. Корни сальз залегают на глубинах от нескольких десятков до первых сотен метров [10]. 24 ЗАКЛЮЧЕНИЕ В первой главе курсовой работы было рассмотрено происхождение подземных вод. Происхождение инфильтрационных подземных вод связано с просачиванием (инфильтрацией) в грунт атмосферных осадков и воды из рек, озер, болот и т.п. Просочившаяся вода доходит до водоупорного слоя и накапливается, насыщая пористые и пористо-трещинноватые породы. Так образуются водоносные слои или горизонты подземных вод. Наглядно этот способ происхождения подземных вод можно пронаблюдать при помощи колодцев, уровень воды в которых в дождливую погоду становится ощутимо выше и меняется по химическому составу. Во второй главе были исследованы виды вод в горных породах. Вода в горных породах подразделяется на: связанную и свободную. Связанная так же подразделяется на: гравитационную (движущая и вакуольная) и капиллярную (менисковая и гидростатическая), а свободная в свое время классифицируется на: физически (рыхлосвязанная и прочносвязанная) и химически (кристаллизационная и конституционная). В третей главе была приведена классификация подземных вод по условиям залегания. По условиям залегания подземные воды подразделяются на несколько видов: Почвенные воды заполняют часть промежутков между частицами почвы; они могут быть свободными (гравитационными), перемещающимися под влиянием силы тяжести или связанными, удерживаемыми молекулярными силами. Грунтовые воды образуют водоносный горизонт на первом от поверхности водоупорном слое. В связи с неглубоким залеганием от поверхности уровень грунтовых вод испытывает значительные колебания по сезонам года: он то повышается после выпадения осадков или таяния снега, то понижается в засушливое время. В суровые зимы грунтовые воды могут промерзать. Межпластовые воды — нижележащие водоносные горизонты, заключённые между двумя водоупорными слоями. В отличие от грунтовых, уровень межпластовых вод более постоянен и меньше изменяется во времени. Межпластовые воды более чистые, чем грунтовые. Четвертая глава была представлена видами источников подземных вод. Источники были разделены на: источники на склонах холмов, артезианские источники, карстовые, источники в пористых лавах, горячими источниками и минеральными. В пятой главе был разобран химический состав подземных вод. Химический состав подземных вод неодинаков и зависит от растворяемости прилегающих пород. Подземные воды представляют собой природные растворы, содержащие свыше 60 химических элементов, а также микроорганизмы. Сумма 25 растворенных в воде веществ, исключая её минерализацию (выражаемую в г/л или мг/л). газы, определяет В шестой главе были рассмотрены минеральные воды. Минеральные воды – подземные (реже поверхностные) воды, характеризующиеся повышенным содержанием биологически активных химических и органических компонентов и обладающие специфическими свойствами, оказывающими лечебное действие на человеческий организм. В седьмой главе также были изучены такие геологические процессы, как суффозия, карст и гидровулканизм. Карст представляет собой комплекс явлений и процессов, результатом которых является возникновение поверхностных и глубинных пустот в растворимых водою горных породах. Как вытекает из определения, под карстом понимают не только процесс растворения, но и его результат – образование специфических карстовых форм рельефа. С карстовыми процессами нередко тесно связаны процессы суффозии, образуя карстово-суффузионные явления. Суффозия – механический вынос тонких частиц водой, фильтрующейся в толще горных пород. Фильтрующаяся вода осуществляет работу двоякого рода: с одной стороны, она выщелачивает и уносит растворимые соли, с другой – производит механический вынос мельчайших частиц породы. В результате происходит разрыхление пород, образование подземных пустот, приводящих к обрушению и просадке сводов. Так в области развития лёссов на поверхности Земли наблюдаются формы, аналогичные типичным карстовым формам – воронки, замкнутые западины и т.п. 26 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 1. Подземные воды / А. А. Коноплянцев, Р. С. Штенгелов // Перу — Полуприцеп. — М.: Большая российская энциклопедия, 2014. — С. 547. — (Большая российская энциклопедия : [в 35 т.] / гл. ред. Ю. С. Осипов ; 2004— 2017, т. 26). — ISBN 978-5-85270-363-7 2. Ланге О. К. Подземные воды СССР, ч. 1-2, М., 1959—1963 3. Климентов П.П. Гидрогеология. Госгеолтехиздат, 1955. 4. Зекцер И.С. Подземные воды как компонент окружающей среды. — М.: Научный мир, 2001. — 327 с. 5. Ковальчук А.И., Вдовин Ю.П., Козлов А.В. Формирование химического состава подземных вод. М.: Наука, 1980. – 184 с. 6. Алекин О.А. Гидрохимия. Гидрометеоиздат, 1952. 7. Овчинников А.М. Государственное научно-техническое издательство литературы по геологии и охране недр, Москва, 1963 г., 375 стр. 8. Сухарев Г.М., Тарануха Ю.К. 'Полезные ископаемые Кавказа' Москва: Недра, 1979 - с.175. 9. Бондарев В.П. Курс лекций: Учебное пособие. — М.: ФОРУМ: ИНФА-М, 2004. — 224 с. — (Серия «Профессиональное образование»). 10. Дунаев В.А. Общая геология: Учебник для вузов / В.А. Дунаев. – Белгород: Изд-во БелГУ, 2008. – 308 с.: ил., табл. 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37
