Зональность подземных вод

 

Министерство образования Республики Беларусь

Белорусский Национальный Технический Университет

Кафедра «Геотехника и экология в строительстве»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

на тему: «Зональность подземных вод»

 

 

                                                                         

 

 

 

                                                                                                Выполнила: студентка СФ

                                                                                                             гр. 11201212

                                                                                                             Макеева Я.А.

                                                                                       Проверил: проф. Колпашников Г.А.

 

 

 

 

 

Минск-2013

 

Всюду в природе мы встречаемся с явлениями зональности. Широко известна климатическая зональность, зональность растительности и т.д. Характерной особенностью подземной гидросферы является гидродинамическая и гидрогеохимическая зональность, выражающаяся в изменении с глубиной йапорного режима подземных вод (гидростатического и геостатического сжатия), их химического состава, состава растворенных газов и т. д. Вертикальная зональность подземных вод отчетливо проявляется в платформенных областях и является отражением условий формирования и строения многокилометровых толщ осадочных пород, геологический разрез которых сложен горизонтально или моноклинально залегающими и чередующимися слоями проницаемых пород (пески, песчаники, известняки) и слабопроницаемых пород (глины, аргиллиты, соли), обладающих водоупорными свойствами.

Развивая идеи выдающегося русского ученого В. В. Докучаева, В. С. Ильин показал, что в распространении грунтовых вод имеет место определенная закономерность, проявляющаяся в их зональности. В последующем этот вопрос получил дальнейшее свое развитие и обоснование в трудах ряда советских ученых: Б. Л. Личкова, Ф. А. Макаренко, О. К. Ланге, М. П. Распопова и др.

Основой районирования грунтовых вод в настоящее время является представление о вертикальной зональности. В вертикальном направлении от поверхности вглубь земли выделяются: три характерные зоны по условиям движения и водообмена:1) зона активного стока (верхняя зона подземных вод); 
2) зона замедленного стока (средняя зона подземных вод); 
3) зона относительно застойных вод (нижняя зона подземных вод).

В зоне активного стока формируются нисходящие безнапорные (свободные) подземные воды или воды с местными напорами, вызванными наличием водонепроницаемых прослоек в толще водоносных горизонтов. Залегают они на уровне или выше местных эрозионных врезов рек. Режим их теснейшим образом связан с метеорологическими факторами, поэтому в части распространения они подчинены широтной зональности. К ним относятся так называемые грунтовые воды и воды более глубоких водоносных горизонтов, свободно сообщающиеся с дневной поверхностью и находящиеся под воздействием дренирующего влияния рек. Грунтовое питание рек в равнинных районах происходит почти исключительно за счет вод этой зоны. По мнению Ф. А. Макаренко, из данной зоны реки получают более чем 99,5% от общего объема подземного питания. Сток этой зоны включает все основные виды подземного стока: внутрипочвенный, верхний грунтовый и глубокий грунтовый.

В зоне замедленного стока формируются, как правило, устойчиво напорные, с высоким давлением (восходящие) подземные воды, известные под названием артезианских вод; они залегают ниже местных эрозионных врезов малых и средних рек, ограничены в глубину и в горизонтальном направлении глубинами и линиями эрозионного вреза и значительно слабее реагируют на метеорологические воздействия. Воды этой зоны играют некоторую, иногда и немаловажную, роль в питании больших рек в засушливых районах, русла которых отличаются глубоким эрозионным врезом. По характеру их поступления в реки различают открытые артезианские воды, непосредственно гидравлически связанные с поверхностными водами, и закрытые артезианские воды, поступающие в реки через вышележащие, сопряженные с ними водоносные горизонты.Воды обычно отличаются повышенной минерализацией; сток их в реки всегда сопровождается значительным повышением минерализации речных вод.

В зоне относительного застоя залегают подземные воды, находящиеся под большим давлением. Они, как правило, восходящего типа, с большим пьезометрическим напором, с устойчивыми, местами очень высокими температурами. Движение вод этой зоны к поверхности земли обусловлено наличием тектонических разломов и представляет собой чрезвычайно редкое явление. Наиболее же ярко эта зона выражена в полосе вечной мерзлоты, где с выходами ее вод (подмерзлотных вод) связано устойчивое подземное питание рек и образование гигантских наледей.

Изложенное можно представить в виде схемы вертикального подразделения подземных вод по условиям подземного стока в реки.

Зоны подземного стока	Типы подземных вод	Виды подземного стока	Вертикальные зоны климатического воздействия
Зона активного стока	Почвенные воды и верховодка	Внутрипочвенный сток	Глубина внутригодового (интенсивного) воздействия
	Верхние грунтовые воды	Верхний грунтовый сток
	Глубокие грунтовые воды	Глубокий грунтовый сток	Глубина многолетнего (ослабленного) воздействия
Зона замедленного стока	Открытые артезианские воды	Открытый артезианский сток
	Закрытые артезианские воды	Закрытый артезианский сток	Глубина векового (слабого) воздействия
Зона относительного застоя	Глубокие артезианские воды	Локальный, чрезвычайно редкий восходящий сток в реки и озера, преимущественно по тектоническим разломам	Глубина относительного отсутствия воздействия

В природе подземный сток в реки представляет собой сложный процесс и включает обычно несколько из названных выше видов. Основное значение имеет все же питание за счет верхней зоны - активного стока, тесно связанной с климатическими факторами. Поэтому в распространении подземных вод (прежде всего грунтовых) отмечается определенная климатическая зональность, хорошо прослеживаемая в равнинных районах.

Сущность гидрогеологической зональности заключается в следующем. В пределах равнинных районов уровень грунтовых вод в направлении с севера на юг постепенно понижается; вместе с тем увеличивается степень минерализации грунтовых вод. В то время как на севере грунтовые воды расположены близко к поверхности и очень слабо минерализованы, в южных районах они находятся на большой глубине и в той или иной мере засолены. Важным показателем зональности также является уменьшение в направлении с севера на юг содержания органических веществ в воде и увеличение ее жесткости в том же направлении. Воды северных районов - зоны избыточного увлажнения - отличаются, наряду с исключительно малой общей минерализацией, относительно большим содержанием органических веществ. Воды южных районов - степных, полупустынных и особенно пустынных, обладая высокой минерализацией, отличаются высокой жесткостью и малым содержанием органических веществ.

С гидрологической точки зрения зональность проявляется в закономерном уменьшении в направлении с севера на юг доли грунтового питания и вообще водности рек в периоды летней и зимней межени, когда они в значительной мере переходят на грунтовое питание. Ярким показателем зональности является также пересыхание рек, которое по направлению к югу приобретает все большие размеры, распространяясь не только на малые, но и на довольно значительные реки.

 

Геохимическая зональность подземных вод

Учение о гидрогеохимической зональности является фундаментальным достижением гидрогеологии. Известны разные виды зональности: по площади и глубине, для грунтовых вод и глубоких напорных вод, для общего химического состава вод, для газов, органических веществ, микрокомпонентов, микрофлоры и т.д. Гидрогеохимическая зональность наиболее изучена на примере грунтовых вод, а также глубоких подземных вод в пределах платформ.

Геохимическая  зональность  грунтовых  вод — зональность горизонтальная. Напомню, что грунтовыми водами называются — воды первого от поверхности постоянного водоносного горизонта. Поэтому понятно, что состав этих вод определяется влиянием поверхности и подчиняется  географической (горизонтальной) зональности с её сложным комплексом факторов (климат, почвы, растительность и т.д.).

Ещё в 1914 г. гидролог П.В. Отоцкий впервые в пределах Европейской части России выделил четыре широтные зоны грунтовых вод, различающиеся между собой глубиной залегания и минерализацией: 1) зона неглубоких, слабо минерализованных, богатых органическими веществами грунтовых вод (полярно–тундровая полоса); 2) зона неглубоких, умеренно минерализованных вод (лесная полоса); 3) зона местами глубоких, в различной степени минерализованных вод (степная полоса); 4) зона глубоких значительно минерализованных вод (южнее степной полосы). (Конечно, надо иметь в виду, что градация П.В. Отоцкого относится к водам очень малого диапазона минерализации и почти всегда пресным (50–3000 мг/л)).

В 1949 г. Г.И. Каменский выделил две зоны грунтовых вод по условиям их формирования: грунтовые воды выщелачивания и грунтовые воды континентального засоления. Первый тип воды формируется в областях избыточного увлажнения или в недостаточно увлажненных районах, но с хорошо проницаемыми породами или с хорошим естественным дренажём. Второй тип вод формируется на равнинах сухих степей, полупустынь и пустынь. В зоне грунтовых вод выщелачивания с севера на юг минерализация вод увеличивается от нескольких десятков или сотен мг/л до 1 г/л. Во второй зоне грунтовых вод континентального засоления могут быть встречены воды различной минерализации и разного состава от пресных до солёных в зависимости от вещественного состава пород и геоморфологических факторов. Например, на водоразделах, при глубоком залегании, воды могут быть пресными, а в долинах рек при неглубоком их залегании и более интенсивном, в связи с этим, испарением становятся более минерализованными.

Развивая идеи Г.И. Каменского, Е.В. Пиннекер выделил с севера на юг три зоны грунтовых вод: 1) ледовую (мёрзлую), 2) гумидную (влажную) и 3) аридную (сухую). В первой зоне воды полностью или частично проморожены, в жидкой фазе существуют лишь летом. Вторая зона характеризуется избыточным увлажнением и интенсивным вымыванием солей из пород. В третьей зоне испарение преобладает над осадками и происходит засоление грунтовых вод.

С.Л. Шварцев обобщил огромный фактический материал по химическому составу грунтовых вод земного шара.

Зональное распределение характерно и для органических веществ грунтовых вод. Это обусловлено более низкими среднегодовыми температурами, обилием влаги, богатой наземной растительностью, тесной связью поверхностных, в том числе болотных, и грунтовых вод. В этих условиях не происходит полного разложения остатков наземной растительности, что и ведёт к обогащению грунтовых вод органическим веществом гумусового характера. Во многих районах севера эти воды имеют жёлтый и бурый цвет из–за высокого содержания фульво– и гуминовых кислот. Такой же цвет, кстати, имеют воды и некоторых рек Беларуси, области питания которых располагаются в зоне развития болот (например, Припять). В аридных условиях, наоборот, климатические условия способствуют более полному разложению органических остатков и обеднению грунтовых вод органическим веществом.

Теперь рассмотрим вертикальную зональность подземных вод, которая свойственна водам, залегающим более глубоко, чем грунтовые, и которые не связаны так непосредственно с поверхностными факторами, как грунтовые.

Впервые факт изменения химического состава подземных вод с глубиной отметил С.Н. Никитин в 1900 г. Впоследствии проблема гидрогеохимической зональности — одна из кардинальных проблем гидрогеологии — изучалась многими исследователями.

Рассматривая вертикальную гидрогеохимическую зональность надо иметь в виду одно существенное обстоятельство, на которое обратил внимание М.Е. Альтовский. Нужно различать два виды вертикальной зональности. Один из них наблюдается при бурении скважин, когда мы последовательно пересекаем наслаивающиеся друг на друга водоносные горизонты. Второй относится к отдельным водоносным горизонтам, или пластам, в которых по их падению отмечается изменение минерализации и состава вод. Это так называемая пластовая гидрогеохимическая зональность.

В природе, как правило, не наблюдается чётких и резких границ между различными гидрогеохимическими зонами; химический состав вод изменяется постепенно. Зоны могут выделяться по величине минерализации, ионному составу, газовому составу и другим гидрогеохимическим характеристикам.

Под гидрогеохимической зоной принято понимать часть бассейна подземных вод (или водоносного пласта), относительно однородную по химическому составу вод, в пределах которой принятый за основу выделения зон гидрогеохимический показатель изменяется в сравнительно узких, условно устанавливаемых границах.

Так, известный pоссийский гидрогеолог И.К. Зайцев выделил такие зоны подземных вод по величине минерализациии: зона А — пресных вод (М до 1 г/кг), зона Б — солёных вод (М от 1 до 35 г/кг), зона В — рассолов (М > 35 г/кг). Выделенные таким образом гидрогеохимические зоны подразделяются на гидрогеохимические подзоны в соответствии с классификацией подземных вод по величине минерализации. Например, в зоне солёных вод выделена подзона солоноватых (1–3 г/кг), срабосолёных (3–10 г/кг) и сильносолёных (10–35 г/кг) вод. Вместе с тем, гидрогеохимические зоны объединяются в гидрогеохимические пояса. Под гидрогеохимическим поясом понимается такая часть геологической структуры, для которой характерно развитие от фундамента до поверхности Земли одной и той же последовательности гидрогеохимических зон или одной гидрогеохимической зоны. Гидрогеохимические пояса могут быть одно–, двух– и трёхзональными.

Зоны могут сменяться друг другом по вертикали в разной последовательности. В том случае, когда минерализация подземных вод последовательно увеличивается с глубиной, говорят о прямой гидрогеохимической зональности или о нормальном гидрогеохимическом разрезе. Часто встречаются аномальные гидрогеохимические разрезы, которые характеризуются либо обратной зональностью (гидрогеохимическая инверсия), когда наблюдается уменьшение минерализации вод с глубиной, либо переменной зональностью, когда нет строго определённого изменения минерализации с глубиной.