Минералы группы полевых шпатов

Из всех силикатов полевые шпаты являются наиболее распро­страненными в земной коре, составляя в ней около 50% по весу.

Выделяются две наиболее распространенные в природе под­группы полевых шпатов:

1. Подгруппа натриево-кальциевых полевых шпатов, называемых плагиоклазами, представляющих собой непрерывный изоморфный ряд от альбита до анортита (табл. 3.3).

 

 

Таблица 3.3

Минералы	Содержание анортитовой молекулы, %
Альбит Na[AlSi3O8]	0-10
Андезин	10-30
Лабрадор	30-50
Битовнит	50-70
Анортит	70-90
Ca[Al2Si2O8]	90-100

 

 

2. Подгруппа калиевых полевых шпатов с формулой K[AlSi₃O₈]. Из группы полевых шпатов для изучения рекомендуются альбит, лабрадор и ортоклаз.

Альбит Na[AlSi₃O₈]

Цвет белый, серовато-белый, иногда с зеленоватым, синева­тым, реже красноватым оттенком.

Блеск стеклянный. Тв. 6-6,5.

Сп. совершенная. Пл. 2,63.

Проч. св-ва: в кислотах не растворяются; п. п. тр. плавится с трудом в стекло, часто окрашивая пламя в желтый цвет (за счет Na).

Лабрадор (30-50%) Na[AlSi₃O₈]·(50-70%) Al[Al₂Si₂O₈]

Цвет серый, темно-серый с характерным переливчатым отсветом в синих и зеленых тонах по граням кристаллов.

Блеск стеклянный. Тв. 6-6,5.

Сп. совершенная. Пл. 2,7.

Проч. св-ва: п. п. тр. плавится с трудом в стекло; в кислотах не растворяется.

Ортоклаз K[AlSi₃O₈]

Цвет светло-розовый, буровато-желтый, красновато-белый, иногда мясо-красный. Прозрачная разновидность называется адуляром. Блеск стеклянный. Тв. 6-6,5.

Сп. совершенная под углом 90⁰. Пл. 2,5-2,6.

Проч. св-ва: нередко в кристаллах имеются двойники прорастания

 

Гидрогеология

Верховодка

Верховодкой называют временное скопление подземных вод в зоне аэрации. Залегает она на небольшой глубине от поверхности земли и образуется над локальными водоупорами (или полуводоупорами), в роли которых могут быть линзы глин и суглинков в песке, прослойки плотных пород и т. д. (рис. 4.1.1). При инфильтрации вода временно задерживается на них и образует своеобразный тип подземной воды. Чаще всего это бывает связано с периодом обильного снеготаяния и выпадения дождей. В засушливое время года верховодка может полностью исчезнуть в результате испарения и просачивания в нижележащие слои.

Рис. 4.1.1. Верховодка:

1 — водопроницаемая порода; 2 —водоупорные породы; 3 — грунтовая вода; 4 — верховодка

В легко водопроницаемых невлагоемких породах (пески, галечники, трещиноватые породы) верховодка возникает сравнительно редко, так же как и в сильновлагоемких набухающих глинах. Наиболее типичны для нее различные суглинки и лессовые породы.

Другой особенностью верховодки является возможность ее об-разования даже при отсутствии в зоне аэрации каких-либо водоупорных пропластков. Например, в толщу суглинков обильно поступает вода, но вследствие низкой водопроницаемости просачивание происходит замедленно и в верхней части толщи образуется верховодка. Через некоторое время эта вода рассасывается.

На склонах верховодка практически отсутствует. Чаще всего она наблюдается на водораздельных равнинных участках, особенно в понижениях микрорельефа (степные блюдца, западины и т. п.), задерживающих талые снеговые и дождевые осадки.

По величине минерализации воды верховодки пестрые: от пресных (в северных районах страны) до солоноватых и соленых (в засушливых районах, с интенсивным испарением). Близость верховодки к поверхности земли часто приводит к ее загрязнению органическими соединениями. Водообильность незначительная, поэтому использование верховодки для водоснабжения ограничено: неглубокие колодцы в сельской местности, сезонное водоснабжение мелких предприятий. Для постоянного водоснабжения верховодка непригодна.

Верховодка представляет значительную опасность для строительства. Залегая в пределах подземных частей зданий и сооружений, она может вызвать их подтопление, если заранее не были предусмотрены меры дренирования или гидроизоляции. В результате значительных утечек воды (водопровод, канализационные сети, бассейны и др.) отмечено частое появление горизонтов верховодок на площадках многих объектов, расположенных в зоне распространения лессовых пород. Это представляет серьезную опасность, так как грунты оснований снижают свою устойчивость, затрудняется эксплуатация сооружений.

При инженерно-геологических изысканиях, проводимых в сухое время года, верховодка не всегда обнаруживается, поэтому ее появление при отрывке котлованов, траншей может быть неожиданным.

Грунтовые воды

Грунтовыми называют воды первого от поверхности постоянного водоносного горизонта, выдержанного по площади и расположенного на первом водоупорном слое.

Грунтовые воды имеют свободную поверхность, т. е. сверху они не перекрыты водоупорными слоями. Свободную поверхность грунтовых вод называют зеркалом (в разрезе — уровнем). Слои или пласт горных пород, насыщенный подземной водой, именуют водоносным слоем (пластом) или водоносным горизонтом. Расстояние от водо- упора до уровня подземных вод называется мощностью водоносного горизонта (пласта) (рис. 4.1.2).

Рис. 4.1.2. Элементы грунтовой воды:

h — мощность водопроницаемых пород; Н— мощность водоносного горизонта; 1 — уровень грунтовой воды; 2—водоупорное ложе

Грунтовые воды в силу наличия свободной поверхности — ненапорные. Иногда при вскрытии грунтовых вод скважинами и другими выработками наблюдается местный (обычно небольшой) напор. Возникает он при проходке скважинами прослоев водоупорных пород, залегающих в толще водоносного слоя.

Питание грунтовых вод происходит за счет инфильтрации (про-сачивания) атмосферных осадков и конденсации водяных паров, а также поступления воды из поверхностных водоемов (рек, озер и т. д.). Значительно реже грунтовые воды подпитываются со стороны глубокозалегающих напорных вод. Территория, на которой происходит питание водоносного горизонта, называется областью питания. Для грунтовых вод характерно совпадение областей питания и распространения.

Грунтовые воды находятся в непрерывном движении, образуя грунтовые потоки. В отдельных случаях их залегание имеет форму грунтовых бассейнов. Грунтовые воды в бассейнах остаются неподвижными и имеют горизонтальную поверхность. В противоположность им грунтовые потоки имеют соответствующие уклоны своей поверхности. Уклон поверхности грунтового потока обычно соответствует уклону рельефа поверхности земли и направлен в сторону ближайшего понижения. Грунтовые воды движутся от водоразделов к речным долинам, оврагам, балкам и т. п. В местах выхода грунтовых вод на поверхность образуются родники, мочажины, заболоченность. Это места естественной разгрузки (дренирования) грунтовых вод.

Грунтовые воды имеют почти повсеместное распространение. Глубина залегания грунтовых вод, химический состав и температура зависят от многих факторов: геологического строения района, рельефа местности, климатических условий. В целом зеркало грунтовых вод отражает рельеф земной поверхности. Наибольшая глубина залегания грунтовых вод отмечается на водоразделах, наименьшая— в понижениях рельефа.

Обычно грунтовые воды залегают на небольшой глубине — от 2 до 10 м. По степени минерализации воды преимущественно пресные, реже солоноватые и соленые, состав гидрокарбонатно-кальциевый, сульфатный и сульфатно-хлоридный.

Грунтовые воды широко используют для водоснабжения во многих районах России.

Основные типы грунтовых вод

На территории России отмечаются следующие наиболее характерные типы грунтовых вод: речных долин; ледниковых отложений; степей и полупустынь; предгорных и горных районов.

Грунтовые воды речных долин. Характерной особенностью грунтового потока является его незначительная ширина в сравнении с длиной.

' Водовмещающими породами являются песчаные и крупнообломочные аллювиальные (речные) отложения (рис. 4.1.3). В долинах равнинных рек это песок, песок с гравием, реже галечник, в долинах горных рек — валуны, галечник и гравий с песчаным заполнителем. Сверху рыхлообломочные породы часто покрыты иловатыми суглинками, супесями и глинами.

Подземные воды в аллювиальных отложениях обычно безнапор ны. Глубина залегания грунтовых вод — от долей метра до 20 м и более (на повышенных участках долины). Мощность водоносной толщи пород обычно не превышает 20—35 м.

Фильтрационные свойства аллювия крайне изменчивы, что связано с резкой неоднородностью пород по механическому составу. Наиболее водообильны крупнообломочные образования русловых отложений рек. 1

Рис. 4.1.3. Грунтовые воды в речных отложениях:

1 — водоносные известняки; 2 — речные отложения; 3 — водоупорные глины; 4—водозаборные скважины

 

Воды речных долин обычно пресные, гидрокарбонатно-кальцие вые, иногда с повышенным содержанием железа (Сибирь, Дальний Восток).

Роль грунтовых вод речных долин в водоснабжении населенных пунктов и промышленных предприятий весьма значительна.

Воды аллювиальных отложений широко используются для водоснабжения городов Красноярска, Новосибирска, Воронежа, Уфы и многих других городов, расположенных в долинах крупных рек.

Грунтовые воды ледниковых отложений. Подземные воды ледниковых отложений распространены в районах с избыточным увлажнением и невысоким испарением, поэтому питание их вполне обеспечено, а динамические запасы (естественные ресурсы) значительны. Грунтовые воды водно-ледниковых песков пресные с общей минерализацией 300—600 мг/л. В ряде районов они нуждаются в обезжелезивании и фторировании. Близкое залегание надморенных вод от поверхности земли требует тщательной охраны их от загрязнения (рис. 4.1.4).

Рис. 4.1.4. Подземные воды в ледниковых отложениях:

1 — грунтовые воды (надморенные); 2 — меж пластовые ненапорные (межморенные); 3 — артезианские воды (подморенные); 4—дочетвертичные породы; 5 — водозаборные скважины

 

Подземные воды ледниковых отложений широко используются для водоснабжения населенных пунктов и промышленных предприятий северных и центральных областей европейской части России. Наиболее перспективны для поисков подземных вод такие положительные формы современного рельефа, как песчаные озы, камы. Большие запасы пресных вод приурочены также к дреьним ледниковым долинам.

Грунтовые воды сухих степей и полупустынь. Условия формирования грунтовых вод в этих засушливых районах неблагоприятны. Степи, а особенно полупустыни и пустыни в сравнении с другими районами бедны пресными грунтовыми водами и относятся преимущественно к зоне континентального засоления. Влага интенсивно испаряется здесь не только с открытой водной поверхности, но и с поверхности грунтовых вод, вызывая засоление почвенного покрова, образование солончаков и др. Ввиду слабой дренированности равнинных территорий, грунтовые воды движутся медленно, их минерализация, как правило, высокая. Все это создает значительные трудности при решении вопросов водоснабжения, особенно в полупустынях и пустынях.

Однако и на их территориях, на отдельных участках могут быть обнаружены достаточные запасы пресных подземных вод.

Грунтовые воды предгорных и горных районов. Наибольший интерес для водоснабжения в предгорных районах представляют воды конусов выноса. Конус выноса — это скопление рыхлообломочного материала (гальки, песка, гравия) в устьевой части горных потоков, в местах их выхода на равнину. Мощность грубозернистых отложений в конусе выноса огромна (от нескольких сот метров до 2—3 км).

Пресные грунтовые воды распространены в головной части конусов выноса (области питания), сложенной крупнообломочным материалом и в зонах интенсивного выклинования (рис. 4.1.5). Запасы их значительны.

В горных районах подземных вод меньше, чем в предгорных. Мощные потоки пресных грунтовых вод могут быть встречены лишь в аллювиальных отложениях долин горных рек.

В целом, высоко оценивая роль грунтовых вод как источника питьевого водоснабжения, необходимо подчеркнуть, что грунтовые воды создают большие трудности при производстве строительных работ (заливают котлованы, траншеи и др.) и мешают нормально эксплуатировать различные здания и сооружения. В практике строительства чаще всего приходится принимать меры борьбы именно с грунтовыми водами.

Рис. 4.1.5. Подземные воды в предгорных конусах выноса:

1 — водоупорные отложения; 2 — пьезометрический уровень напорных вод; 3 — водопроницаемые породы; 4 — водозаборные скважины; 5 — уровень грунтовых вод; 6 — скальные породы

 

Карты поверхности грунтовых вод (карты гидроизогипс). Для выявления характера поверхности (зеркала) грунтовых вод составляют карты гидроизогипс (рис. 4.1.6). Гидроизогипсами называют линии, соединяющие точки с одинаковыми абсолютными или относительными отметками уровней грунтовых вод. Эти линии аналогичны горизонталям рельефа местности и подобно им отражают рельеф зеркала вод. Форма поверхности грунтовых вод сложная и зависит от многих факторов: состава водовмещающих пород и их водопроницаемости, рельефа, условий залегания и дренирования. Карты гидроизогипс необходимы при решении многих задач, связанных с проектированием водозаборов подземных вод, борьбой с подтоплением территории и др. Для построения карты гидроизогипс замеряют уровни грунтовых вод в скважинах, расположенных обычно по сетке. Замеры уровней воды должны быть единовременными. Абсолютные отметки уровня подземных вод (hв) в скважинах определяют по формуле

где h_п.з. — абсолютная отметка поверхности земли; h — глубина залегания подземных вод от поверхности земли, м.

Рис. 4.1.6. Карта гидроизогипс:

Участок А — грунтовые воды питают реку; Б—канал питает фунтовые воды; В — фунтовые воды питают реку и выходят из нее

 

Полученные абсолютные отметки надписывают над каждой скважиной и затем методом интерполяции строят гидроизогипсы. Сечение гидроизогипс (частоту их заложения) выбирают в зависимости от масштаба карты и густоты расположения точек замера от 0,5 до 10,0 м, чаще 0,5; 1,0 и 2,0 м.

С помощью карты гидроизогипс (совмещенной с топоосновой) можно определить направление и скорость движения грунтового потока в любой точке. Для определения направления проводят перпендикуляр к гидроизогипсе в данной точке. Грунтовый поток движется по нормали в сторону меньших отметок. Для определения уклона потока грунтовых вод разность отметок двух смежных гидроизогипс делят на расстояние между ними (по нормали) в соответствии с масштабом карты. Чем выше степень сгущения гидроизогипс, тем при прочих равных условиях больше уклон поверхности потока подземных вод, а следовательно, выше и скорость движения. Используя положение гидроизогипс, в любой точке карты можно определить глубину залегания грунтовых вод (по разности отметок горизонталей и гидроизогипс).