Основной закон фильтрации Дарси.

Фильтрация подз.вод - движение свободной гравитационной воды, происходящее под действием силы тяжести или градиента давления (при условии полного насыщения свободного пространства водой).

Скорость фильтрации (скорость фильтрационного потока)V – кол-во воды, которое протекает в единицу времени через единицу поперечного сечения потока (пласта).

Q –расход фильтрационного потока;

F – площадь поперечного сечения (см², м²);

V (см/с, м/сут.)

Эта скорость фильтрации не характеризует истинную скорость движения воды по фильтрующему пространству минерального скелета породы.

В 1856 г. А. Дарси установил, что при ламинарном движении ПВ в горных породах количество воды Q, фильтрующейся ч/з пористую породу в единицу времени, прямо пропорционально площади сечения F, разности уровней ΔH и обратно пропорционально длине пути фильтрации ΔL.

Q=K F (ΔH/L) = K FI, где

Q-расход воды (потока) в см³/с,K-коэф.пропорциональности (коэф фильтрации, коэф.водопроницаемости, зависит от физ. свойств ГП и жидкости, см/с),

F- площадь поперечного сечения (см²), ΔH-разность значений пьезометрических напоров в крайних сечениях (см), L-длина пути фильтрации (см), I-значение напорного градиента (безразмерн.).

Границы применимости закона Дарси. Применяется для большинства естественных потоков подз.вод, характеризующихся относительно невысокими скоростями фильтрации при линейной зависимости скорости фильтрации от напорного градиента. Отмечаются нарушения закона. Различают 2 предела применимости закона Дарси: верхний и нижний. Верхняя граница отмечается в породах высокой проницаемости (карст, интенсивная трещиноватость) при больших скоростях фильтрации. Нижняя граница связана с проявлением сил молекулярного взаимодействия частиц воды и породы при вязкопластичном характере течения воды в ультратонких поровых каналах (фильтрация в глинах).

Карст – геол. явление, связанное с растворением подземными и поверхностными водами растворимых ГП с образованием характерных форм: пещер, каналов, каверн. Карстующиеся породы распространены на 1/3 поверхности суши (51млн.км²).

Билет № 5

Принципиально другой ветвью геологического круговорота воды в земной коре являются предполагаемые процессы поглощения океанических вод в пределах рифтовых зон океана с последующим участием их в процессах серпентинизации мантийных пород и формирования океанической коры. Завершение этой ветви геологического круговорота воды с ее возвращением в поверхностную гидросферу предположительно может быть связано с процессами десерпентинизации (дегидратации) пород океанической коры при их погружении в районах глубоководных желобов и вулканической деятельностью.

Мантийно-океанический цикл круговорота воды А.Н.Павлов связывает со схемой движения океанического дна и системой конвективных потоков вещества, протекающих в верхней мантии в соответствии с тектоникой плит. Океаническая кора и подстилающая ее мантия, образующие литосферную плиту, движутся как единое целое от срединных океанических хребтов к обрамляющим океаны континентам (рис 2.). Скорости движения литосферных плит различны. На границе между ними образуются крупные разломы. При столкновении с континентами плиты, погружаясь под них, производят сильную деформацию земной коры (процесс субдукции). В более глубоких частях мантии (400-600км) существует конвективный поток вещества в противоположном направлении, который поднимается к поверхности в зоне срединных хребтов. При подъеме вещество мантии взаимодействует с океанической водой, образуя серпентинизированный перидотит, содержащий большое количество химически связанной воды. Этот серпентинизированный слой, образуя плиту, перемещается к континентам, и погружаясь под них, десерпентинизируется с выделением большого количества воды, которая возвращается в океан.

Рис 2. Мантийно – океанический круговорот воды:

1 – океаническая кора; 2 – литосфера; 3 - континентальная литосферная

плита; 4 – осадочные породы; 5 – базальтовая магма в зоне спрединга;

6 – гранитойдные интрузии; 7 – направление движения воды

По мнению А.Н.Павлова литосфера океанического типа содержит 1,8х10²³ т свободной и физически связанной воды, которая перемещается вместе с корой в сторону континентов и погружается под них на участках глубоководных желобов. Предполагается, что одна часть этой воды участвует в формировании гранитной коры континентов и возвращается в океан через климатический круговорот лишь при выходе этой коры на поверхность материков или вулканические жерла. Другая часть может вовлекаться в обратные подкоровые течения и возвращаться в океан в зонах срединных океанических хребтов через подводные извержения магм.

Другие ученые считают, что серпентинитовый слой океанической коры образуется не в результате воздействия поднимающейся магмы с океанической водой, а в результате воздействия на перидотиты и дуниты ювенильных флюидов. Флюиды могут подниматься к поверхности либо по всей площади литосферной плиты, либо только в рифтовых зонах, которые формируются в центральной части срединных океанических хребтов.

По данным сейсмической томографии (С.Маруяма, М.Кумазава и др.) в разрезе Земли выделяют 3 зоны: кору и верхнюю мантию (тектоносферу), нижнюю мантию (плюмтектонику), ядро Земли (тектонику роста или тектонику ядра). Эти ученые ведущее значение придают погружению холодных литосферных пластин в зонах субдукции. Холодные пластины погружаются сначала до границы верхней и нижней мантии (на 670км) и здесь на протяжении 100-400млн.лет находятся в состоянии относительного покоя до наступления момента катастрофического гравитационного коллапса (коллапс-ослабевание, одряхление), вследствие которого погружаются до границы мантии и ядра. Взаимодействие холодной пластины с внешним ядром вызывает охлаждение ядра и образование компенсационного восходящего течения на границе ядро-мантия с порождением плюма.

С.Маруяма и его коллеги на настоящий момент различают один крупный нисходящий холодный суперплюм (цилиндрическое тело с сечением в сотни км) под Центральной Азией и два восходящих суперплюма- под южным Тихим океаном и под Африкой. Т.о. в нижней мантии, к верхней мантии навстречу друг другу на определенном расстоянии движутся колонны охлажденного и разогретого вещества, т.е. конвекция реализуется в форме адвекции (т.е. перенос в горизонтальном направлении). Так вода вместе с литосферными пластинами может погружаться до ядра и затем снова возвращаться в земную кору. Большая часть воды при погружении выплавляется и значительно раньше покидает литосферную пластину.

Разбуривание дна Мирового океана показало наличие высокопроницаемых кристаллических пород океанической земной коры, содержащих измененные воды морского (океанического) происхождения. Возможно, это связано с движением литосферных плит. Такие воды называют талассогенными. Они формируются в опускающихся блоках в связи с увеличением температуры, давления и высвобождения физически связанных вод при дегидратации минералов.

В поднимающиеся блоки при их разуплотнении проникает океаническая вода. Воды, формирующиеся таким образом, называют литификационными = рифтогенными = субдукционными = литосферными растворами.

Недостаточная ясность механизмов, масштабов и сути мантийно – океанического круговорота воды не позволяет относить его к разряду самостоятельных. Поэтому лучше рассматривать его одним из циклов геологического круговорота, который по своей сути, вероятно, является все же океаническим.

Геологический круговорот воды совершается в различных термодинамических оболочках земной коры. Три этапа геологического круговорота (седиментационный, метаморфогенный и магматогенный) являются частью климатического круговорота Минеральные воды.

Минеральные подземные воды – воды, состав, физические и химические свойства (радиоактивность, повышенные концентрации компонентов) которых позволяют использовать их в качестве лечебных, промышленных и термальных.

Основной особенностью хим.состава минеральных вод является присутствие обычных или специфических компонентов (CO₂, H₂S, Br, J, H₄SiO₄, Rn, Fe, As, орг.веществ) в концентрациях больше нормативных.

Классификация минеральных вод по температуре:

1.переохлажденные (исключительно холодные) высокоминеральные рассольные воды < 0°С

2.очень холодные и весьма холодные воды t =0-4°С

3.холодные t = 4-20°С

4.теплые t = 20-37°С

5.термальные (горячие) или гидротермальные t = 37-42°С

6.очень горячие (гипертермальные) t = 42-100°С

7.исключительно горячие перегретые воды, парогидротермальные (гейзеры) t =более 100⁰С.

Лечебные минеральные п/в – воды, обладающие лечебными (бальнеологическими) свойствами благодаря наличию в их составе минеральных, органических или радиоактивных веществ в терапевтически полезных эквивалент-концентрациях. К числу основных компонентов состава лечебных п/в относятся: CO₂, H₂S, Fe, As, Br, J, H₄SiO₄, Rn, орг вещ-ва. Имеет существенное значение щелочно-кислотное состояние, t, общее содержание растворенных компонентов.

В основе воздействия на организм человека лечебных вод лежат осматические и диффузионные явления. Лечебные воды взаимосвязаны с кровью. Кровь человека состоит из плазмы (хлоридный натриевый раствор) и эритроцитов.

Классификация лечебных вод.

По В.В.Иванову и Г.А.Невраеву в зависимости от состава фармакологически активных компонентов и газов 8 основных бальнеологических групп с подгруппами по газовому составу:

1)углекислые,

2)сульфидные (CH₄, N₂ или СО₂),

3)железистые, мышьяковистые (N₂, СО₂),

4)бромные, йодобромные и йодные (N₂,СН₄),

5)с повышенным содержанием орг.веществ (N₂,СН₄),

6)радоновые (N₂, СО₂), 7)кремнистые термальные (CH₄, N₂, СО₂),

8)без специфических компонентов и свойств- лечебные мин.воды, бальнеологическое действие которых определяется составом макрокомпонентов и величиной минерализации.

Естественные ресурсы – это количество подземной воды, поступающей в водоносный горизонт в естественных условиях путем инфильтрации атмосферных осадков, фильтрации из рек и озер, перетекания из выше- и нижележащих горизонтов, притока со смежных территорий.

Билет № 6