Гидрогеология и инженерная геология

1. Гидрогеология и инженерная геология Лекция 5

Строение подземной
гидросферы.
Классификация подземных
вод

2.

• СТРОЕНИЕ ПОДЗЕМНОЙ ГИДРОСФЕРЫ
Подземная гидросфера сверху ограничена поверхностью Земли,
нижняя ее граница достоверно еще не установлена. Одни
исследователи (А. М. Овчинников и др.) считают, что ее условно можно
провести на глубине 12—16 км, т. е. на глубинах распространения
критических температур воды (374—450° С), где скопление вод в
жидком состоянии невозможно. Другие исследователи (Ф. А.
Макаренко, В. И. Лялько и др.) полагают, что подземная гидросфера
распространяется до глубин, превышающих 70—100 км, причем
положение ее нижней границы изменяется в различных
геотектонических областях.
В пределах подземной гидросферы состояние воды, ее структура и
свойства меняются по мере изменения температуры и давления в
земной коре и мантии.
Переход воды из одного состояния в другое и характерные изменения
структуры воды положены в основу выделения гидрофизических зон. В
подземной гидросфере выделяются следующие гидрофизические зоны:
1) аэрации; 2) мерзлой зоны земной коры; 3) насыщения; 4)
переуплотненного водяного флюида; 5) жидкопластичного водного
раствора силикатов и алюмосиликатов; 6) диссоциированных молекул
воды.
Наиболее изучены первые три зоны, сведения о которых приводятся
ниже.

3.

• Зона аэрации охватывает верхние слои литосферы от дневной
поверхности до уровня грунтовых вод.
• В этой зоне поры пород обычно заполнены воздухом и парами воды, а
также прочно-, рыхлосвязанной и капиллярной водой. Периодически
весной в период таяния снега или во время выпадения интенсивных
дождей в породах зоны аэрации образуется свободная
(гравитационная) вода.
• Мощность зоны аэрации зависит от литологических особенностей
пород (глубины залегания водонепроницаемых толщ), рельефа
местности, степени расчлененности поверхности земли и
климатических условий (количество атмосферных осадков, величина
инфильтрации).
• Она изменяется в широких пределах - от долей метра до 100 м и
более. На обширных площадях зона аэрации может отсутствовать; на
таких участках подземные воды достигают поверхности земли, образуя
болота и вызывая заболачивание.
• Через зону аэрации осуществляется сезонная связь подземных вод с
атмосферой; дождевые и талые воды просачиваются вглубь и
пополняют ресурсы подземных вод. В засушливых областях через зону
аэрации происходит испарение подземных вод при их залегании на
глубинах менее 3 м.

4.

• Мерзлая зона земной коры отличается преимущественным
распространением подземных вод в твердой фазе. Она
охватывает обширные северные районы Евразии и
Америки, Антарктиду, а также высокогорные территории
горно-складчатых сооружений. В СНГ она распространена в
основном на северо-востоке территории и в горных
районах.
• Мощность мерзлой зоны изменяется от 0 до 1000 м и
более.
• В данной зоне господствуют отрицательные температуры,
значения которых колеблются от 0 до —15° С.
• Отрицательные температуры - реликт суровых
климатических условий прошлых эпох. Кроме подземных
вод в твердой фазе в мерзлой зоне встречаются жидкие
воды, часто высокоминерализованные, с отрицательными
температурами, и даже незначительное количество
водяного пара.

5.

• Зона насыщения (жидких вод) распространена повсеместно
и охватывает почти всю площадь континентальной
литосферы (80%).
• Основная особенность ее заключается в том, что пустоты и
поры пород в ней полностью заполнены (насыщены)
свободной и связанной водой. Исключение составляют
только площади месторождения нефти и газа. Сверху она
граничит с зоной аэрации или мерзлой зоной. Нижняя
граница зоны (глубина залегания критической температуры
воды 374 - 450° С) зависит от тектонического строения
территории земной коры. В областях современной
вулканической деятельности она прослеживается на
глубине около 8-10 км, а в областях докембрийской
складчатости достигает 30-35 км и более.
• В пределах зоны насыщения, начиная с глубины 1,5 км,
происходит переход физически связанных вод в подвижное
состояние. В нижних частях этой зоны, где температура
превышает 200—300° С, в связанном состоянии остается
лишь вода в кристаллической решетке минералов

6.

• Зона насыщения сложена различными по литологическим
особенностям и геологическому возрасту породами. С
точки зрения аккумуляции подземных вод, просачивания их
через толщи породы, а также отдачи породами воды при их
эксплуатации колодцами и скважинами выделяются
водоносные (заключающие гравитационную воду) и
водоупорные (водонепроницаемые) породы.
• Водоносными называют породы, которые способны
пропускать воду через свою толщину и сравнительно легко
отдавать ее под действием силы тяжести. К таким породам
относятся: галечники, гравелиты, слабо сцементированные
конгломераты и песчаники, пески, алевролиты, известняки,
трещиноватые магматические и метаморфические породы.
• К водоупорным относят такие породы, которые слабо
пропускают через свою толщу воду или совсем не способны
пропускать и отдавать ее в природных условиях; такими
породами являются глины, тяжелые суглинки, плотный
хорошо разложившийся торф, глинистые сланцы,
аргиллиты, каменная соль, гипс, мергели, а также все
плотные и нетрещиноватые магматические и часть
метаморфических пород.

7.

• ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОЙ
СТРАТИФИКАЦИИ
Чередование по вертикали в геологическом разрезе пород,
различных по литологическим особенностям, дает
возможность провести расчленение разреза на водоносные
и водоупорные толщи (пласты).
При расчленении разрезов рыхлых и слабо сцементированных осадочных и метаморфических пород, представляющих пластово-поровые или порово-трещинные
коллекторы подземных вод, следует пользоваться наиболее
распространенными гидрогеологическими
подразделениями (от более мелких к крупным):
- водоносный горизонт,
- водоносный комплекс
-гидрогеологический этаж.
Водоносный горизонт - это относительно выдержанная по
площади и в разрезе насыщенная свободной
гравитационной водой одно- или разновозрастная толща
горных пород, представляющая собой в
гидродинамическом отношении единое целое.

8.

9.

• По условиям залегания и режиму выделяются водоносные
горизонты грунтовых, межпластовых ненапорных и
артезианских вод (или напорных).
• Водоносный горизонт может быть представлен как одним,
так и несколькими слоями водонасыщенных пород,
отличающихся или сходных по геологическому возрасту,
литологическим особенностям и фильтрационным
свойствам; при сложении только одним пластом он будет
простым однослойным, а при многослойном — сложным
слоистым, двухслойным или многослойным.
• При выделении водоносных горизонтов необходимо
учитывать, что их мощность не может превышать мощность
пород стратиграфических ярусов, реже отделов.
• Каждый водоносный горизонт в гидродинамическом
отношении представляет единое целое и имеет свободную
или пьезометрическую поверхность. Это не исключает на
отдельных участках возможности гидравлической связи
между смежными водоносными горизонтами

10.

• Водоносный комплекс
представляет собой
выдержанную в вертикальном
разрезе и имеющую
региональное распространение
водонасыщенную толщу одноили разновозрастных и
неодинаковых по составу пород.
Он ограничен сверху и снизу
регионально выдержанными
водоупорными (или
относительно водоупорными)
пластами, почти исключающими
или затрудняющими
гидравлическую связь со
смежными водоносными
комплексами и тем самым
обеспечивающими присущие
данному комплексу
определенные особенности
гидродинамического и
гидрогеохимического режима вод

11.

• Каждый водоносный комплекс характеризуется
определенным положением областей питания,
создания напора и разгрузки.
• Это обусловливает свойственные данному
комплексу условия накопления, распространения и
формирования подземных вод.
• Водоносный комплекс включает несколько в
различной степени выдержанных водоносных
горизонтов. В отличие от водоносных горизонтов в
водоносном комплексе напоры подземных вод
могут изменяться в вертикальном разрезе, что
предопределяется степенью гидравлической связи
отдельных составляющих его горизонтов.
• Мощности водоносных комплексов определяются
стратиграфическими ярусами, свитами, сериями,
отделами, частями систем и реже системами

12.

• Под гидрогеологическим этажом понимается совокупность
водоносных комплексов, ограниченных только снизу или
сверху и снизу мощными регионально выдержанными в
пределах водонапорной системы толщами водоупорных
пород.
• В значительной степени гидрогеологические этажи
определяются структурными этажами или совокупностью
структурных ярусов, которые, в свою очередь, зависят от
истории геологического развития водонапорной системы
или ее отдельных частей. Гидрогеологические этажи
отличаются один от другого степенью водообмена,
различными особенностями процесса формирования
подземных вод, а также неодинаковыми чертами
палеогидрогеологического развития.
• Мощность гидрогеологического этажа определяется
преимущественно такими стратиграфическими
подразделениями, как система, совокупность систем или
даже группа.

13.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
• Существует много классификаций подземных вод. Это объясняется
сложностью и большим разнообразием природных условий нахождения
подземных вод, а также различными требованиями, предъявляемыми
при эксплуатации тех или иных типов вод.
• Подземные воды классифицируются по происхождению, условиям
залегания, гидродинамическим показателям, температуре,
качественному составу, литологическим особенностям вмещающих
пород, геологическому возрасту водоносных пластов и другим
признакам.
• Ф. П. Саваренским выделено пять типов подземных вод и дана для
них краткая характеристика по условиям распространения, напору,
характеру движения, происхождению, геологическому строению,
климатической зональности, температуре, геохимическим зонам и
химическому составу.
• Классификация подземных вод, построенная по условиям залегания,
характеру напора, особенностям режима, происхождению и
использованию вод в народном хозяйстве, разработана А. М.
Овчинниковым и П. П. Климентовым. В этой классификации
выделяются три основных типа подземных вод: воды зоны аэрации,
грунтовые и артезианские, межпластовыми безнапорными.

14.

• В классификациях других авторов подземные воды также
подразделяются: по характеру водосодержащих пород и
условиям залегания, температуре, химическому составу и
степени минерализации, геолого-стратиграфической
приуроченности водоносных горизонтов и т .п.
• По условиям залегания различают воды: 1) поверхностных
поровых отложений; 2) пластовые, движущиеся в пластах
осадочных пород; 3) тектонических трещин и трещин
выветривания (трещинного типа); 4) карстового типа,
движущиеся по трещинам и пустотам закарстованных
пород.
• По температуре (в о С) выделяют: 1) весьма холодныениже 4 градусов;2) холодные – от 4 до 20 градусов;3)
теплые 20-37 градусов; 4) горячие – 37-42; 5) очень горячие
42 -100
• По степени минерализации:1) сверхпресные-до 0,2 г/л; 2)
пресные -0,2-1,0 г/л; 3)слабосолоноватые -1-3 г/л;
4)сильносолоноватые 3-10 г/л; 5) соленые 10-35 г/л; 6)
рассолы – более 35 г/л.
• По химическому составу (по преобладающим ионам: CI,
SO4, HCO3, CO3, Na, Mg,Ca.)