Единство природных вод земли. Гидросфера.

В.И.Вернадским на фактах наличия воды (в различных видах) практически во всех оболочках Земли (мантия, земная кора, атмосфера, биосфера) и принципиальной возможностью постоянного водообмена между смежными оболочками Земли было сформулировано принципиальное научное положение о единстве природных вод Земли. В соответствии с этим положением гидросфера планеты должна рассматриваться как единая динамическая система, открытая в сторону космоса и внутренних областей Земли (мантия, ядро). Гидросфера играла и играет основополагающую роль в геологической истории Земли, в формировании физической, химической, а, следовательно, и геологической среды, климата, в возникновении и развитии жизни на Земле.

Природные воды Земли едины, но единство их противоречиво. Подземная гидросфера, охватывающая континентальную и океаническую земную кору, содержит воду в различных фазах (жидком, твердом, газообразном) и состояниях (свободное, связанное), в виде растворов различной минерализации и температуры. Подземная гидросфера формируется и функционирует при взаимодействии противоположных начал: поверхностных (экзогенных) и глубинных (эндогенных) факторов, определяющих устойчивость состояния и изменчивость гидросферы.

Поверхностные (экзогенные) факторы: количество и состав атмосферных осадков, величина их испарения, температурный режим на поверхности земли (например, при отрицательных температурах почвенного покрова инфильтрация жидких атмосферных осадков в недра прекращается). Эндогенные факторы: пары воды из мантийных глубин поднимаются по направлению к земной поверхности, вода, выделяющаяся при дегидратации минералов, вода из магматических расплавов.

Взаимодействием эндогенных и экзогенных факторов определяется устойчивость, изменчивость и динамичность гидросферы.

Развитие ПГ циклично и поступательно. Цикличность процессов выражается в водообмене подземной гидросферы с наземной (половодье, межень), в замещении магматогенных и седиментационных вод инфильтрогенными, в переходе ПВ из одной фазы или состояния в другое и обратно. Каждый следующий цикл или круговорот отрицает предыдущий при сохранении определенной приемственности. Формируется качественно новая и более высокая ступень развития гидросферы, происходящая по спирали. Это отражает диалектический закон отрицания отрицания, а также историческую преемственность в развитии подземной гидросферы.

Под гидросферой понимают водную оболочку Земли, объединяющую воды Мирового океана, подземные воды (содержащиеся в земной коре), а также поверхностные воды суши (реки, озера, болота, включая снежный покров и ледники).При этом верхняя граница гидросферы является одновременно нижней границей атмосферы, а нижняя граница гидросферы совпадает с границей земной коры и мантии.

Основными внутренними процессами гидросферы являются круговороты воды и водообмен, происходящие на различных ее уровнях и в различных масштабах.

Под прогнозными ресурсами понимается количество подземных вод определенного качества и целевого назначения, которое может быть получено в пределах гидрогеологического региона, бассейна реки или административного района и отражает потенциальные возможности использования вод.

Билет 22

Виды воды в гп.

В настоящее время выделяются следующие виды воды:

1. свободная (несвязная) – подразделяется на:

1.1. Парообразная вода (водяной пар)- существует в виде молекул Н₂О (комплексов типа n Н₂О) в воздухе, который занимает свободные поры и трещины в породах. Она находится в динамическом равновесии с другими видами воды и парами воды, содержащимся в атмосфере.

1.2.Гравитационная (капельно-жидкая) – передвигается по порам, трещинам под действием силы тяжести и градиента гидростатического давления. Просачивающейся называется подземная вода, формирующаяся в ненасыщенной зоне и передвигающаяся преимущественно в капельно-жидкой форме под действием силы тяжести. Водой подземного потока называется свободная гравитационная вода, передвигающаяся в условиях полного насыщения свободного пространства в минеральном скелете пород действием силы тяжести и градиента гидростатического давления.

1.3. Вода в надкритическом состоянии – находится в горных породах при температуре 374-450° и давлении 2,2х10⁴ КПа – 3,5 х10⁴ КПа. Залегает на глубине более 50 км. Обладает минимальной вязкостью, низким значениям рН, повышенной электропроводностью и большой способностью к миграции.

2. связанная вода:

2.1. Химически связанная вода – принимает участие в строении кристаллической решетки минералов в виде Н₂О, ОН^-, Н₃О⁺, Н⁺. Подразделяется на:

· Кристаллизационная, входящая в кристаллическую решетку минералов в виде молекул воды Н₂О (гипс Са₂SO₄ , мирабилит Na₂SO₄х10 Н₂О). Содержание воды достигает 50% и более. Вода удаляется при температуре 300-400°, при этом кристаллическая решетка разрушается.

· Цеолитная, аналог кристаллизационной, но количество молекул воды в кристаллической решетке может изменяться (опал). Такая вода связана с минералами очень не прочно и выделяется при сравнительно низких температурах 180-400ºC без разрушения кристаллической решетки, содержание воды может восстанавливаться при изменении термодинамических условий.

· Конституционная вода содержится в минералах в виде гидроксильной группы ОН^-, водорода Н⁺ и Н₃О⁺. Удаляется из кристаллической решетки при температуре 400-1300 °. Кристаллическая решетка разрушается (мусковит, каолинит).

2.2. Физико-химическая и физически связанная:

физически прочносвязанная вода (гигроскопическая, адсорбционная) образуется в результате адсорбции молекул парообразной воды на поверхности частиц горных пород. Она образует на поверхности частиц тонкую пленку, слоем в одну молекулу воды и удерживается электростатическими силами.

физически рыхлосвязанная (пленочная) вода образуется поверх гигроскопичной и состоит из нескольких слоев молекул воды, которая называется диффузивным слоем.

вода переходного состояния от связанной к свободной:

2.3.Вакуольная (иммобилизованная) вода – содержится в изолированных пустотах минерального скелета породы. Она может образоваться при неполной цементации порового пространства, при минералообразовании, при остывании магмы.

2.4. Вода в твердом состоянии (лед) – широко распространена в области развития многолетнемерзлых пород (криолитозоне).

2.5.Капиллярная вода занимает частично или полностью тонкие поры и трещины в горных породах. Удерживается силами поверхностного натяжения или менисковыми силами. Чем меньше диаметр пор, тем выше высота капиллярного поднятия.

Коэффициент фильтрации – это скорость фильтрации при напорном градиенте I=1. Коэффициент фильтрации грунтов в основном определяется геометрией пор, т.е. их размерами и формой. На значение коэффициента фильтрации влияют также свойства фильтрующейся воды (вязкость, плотность), минеральный состав грунтов, степень засоленности и др.

Приближенная оценка коэффициента фильтрации возможна по табличным данным. Для получения более обоснованных значений коэффициента фильтрации применяют расчетные, лабораторные и полевые методы.

Расчетным путем коэффициент фильтрации определяют преимущественно для песков и гравелистых пород на первоначальных стадиях исследования. Для расчетов используют одну из многочисленных эмпирических формул, связывающих коэффициент фильтрации грунта с его гран.составом, пористостью, степенью однородности и т.д.

ГОСТ 25584—90 (с изм.1 1999г.) «МЕТОДЫ ЛАБОРАТОРНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ФИЛЬТРАЦИИ» устанавливает методы лабораторного определения коэффициента фильтрации при исследованиях грун­тов для строительства и распространяется на песчаные, пылеватые, глинистые грунты.

Надмерзлотные воды по условиям залегания соответствуют верховодке, т.е. они залегают в толще г.п., ограничены сверху поверхностью Земли, а снизу – верхней границей ММП. Эти воды периодически полностью промерзают, а потом оттаивают (деятельный слой).

Билет № 23

Надмерзлотные, межмерзлотные и подмерзлотные воды. Криопеги.

Надмерзлотные воды по условиям залегания соответствуют верховодке, т.е. они залегают в толще г.п., ограничены сверху поверхностью Земли, а снизу – верхней границей ММП. Эти воды периодически полностью промерзают, а потом оттаивают (деятельный слой). Это приводит к криогенным явлениям: морозное пучение грунтов, образование бугров пучения, наледей, термокарста. Надмерзлотные воды подразделяются на 3 группы: 1) сезонно-промерзающие, 2) отчасти замерзающие, 3) незамерзающие воды многолетних таликов.

Межмерзлотные воды – подземные воды, залегающие и движущиеся в толще ММП. Межмерзлотные воды связаны с водоносными слоями, зонами трещиноватости и закарстованности, ограниченными и сверху и снизу толщами ММП. Они во всех случаях имеют гидравлическую связь с над- и подмерзлотными водами, образуя с ними единую водоносную систему. Межмерзлотные воды обычно образуют потоки пластовых, трещинных, трещинно-карстовых п/в, естественными границами в разрезе и плане которых являются толщи ММП. Они имеют сравнительно благоприятные условия современного водообмена и представлены обычно пресными и слабоминерализованными водами с t° от долей С° до первых С°.

Подмерзлотные воды – подземные воды, залегающие под мерзлой толщей. По условиям залегания являются артезианскими. Отличает их то, что мерзлота затрудняет условия их питания и разгрузки, стабилизирует их режим, и ограничивает площадь их простирания. Могут быть как пресными, так и солеными и рассолами с высокой концентрацией.

Внутримерзлотные воды – ограничены со всех сторон мерзлыми г.п. Это редко встречаемая категория подземных вод, свойственная интенсивно промерзшим г/г структурам. Как правило, эти воды выключены из водообмена, не имеют гидравлической связи с др.типами п/в.

Подмерзлотные и межмерзлотные воды могут находиться в жидком состоянии и при отрицательных температурах. Это криопэги - переохлажденные воды с минерализацией более 30г/л.

Водоносные горизонты, комплексы, свиты.

Геологическое пространство земной коры состоит из водоносных горизонтов, водоносных комплексов, гидрогеологических этажей и бассейнов, из водоупорных пород, не содержащих гравитационные воды. Все гидрогеологические компоненты земной коры взаимодействуют друг с другом в тесной зависимости от конкретной геолого-структурной обстановки и истории развития геологических структур.

Водоносный горизонт (пласт) - монослой значительной мощности или система связанных водоносных слоев (коэффициент фильтрации равен или более 1 м/сут) с едиными условиями залегания подземных вод в пределах конкретного гидрогеологического района.

Водоносный комплекс - сравнительно мощная толща неоднородных пород, содержащих ряд гидравлически связанных, но литологически разобщенных водоносных горизонтов с общей областью питания, движения и разгрузки подземных вод. Обычно он стратиграфически соответствует ярусу или отделу.

Водоносная серия - фациально выдержанная толща пород с разнородными фильтрационными свойствами.

Водоносная свита – постоянно водоносное, обводненное, слоистое геологическое тело с разнотипными и разнородными по фильтрационным свойствам породами.

Разделяющий слабопроницаемый пласт (водоупор) - относительно водонепроницаемый однородный слой горной породы, обычно значительной мощности или слоистый пласт, в котором преобладают (больше 50% суммарной мощности) слабопроницаемые породы (К_ф = от 10 ^-4 м/сут и менее).

Элизионные (элизия- выдавливание)- это воды, выдавленные под действием веса вышележащих пород из глинистых образований и перешедшие в коллектор

 

 

Билет № 24