Межпластовые подземные воды.

Артезианские воды и бассейны

Межпластовыми водами называют водоносные горизонты, залегающие между двумя водоупорными слоями. В зависимости от условий залегания они могут иметь свободную поверхность или обладать напором.

Межпластовые ненапорные воды встречаются сравнительно редко. Уровень этих вод располагается ниже кровли первого водоупора, т. е. водопроницаемый слой не имеет полного заполнения. По условиям передвижения и характеру напоров эти воды аналогичны грунтовым водам. Однако область питания межпластовых вод не совпадает с областью их распространения. Питание вод происходит на участках выхода водоносного пласта на дневную поверхность или путем фильтрации из рек и других поверхностных водотоков и водоемов.

Межпластовыми напорными или артезианскими называют воды, залегающие между двумя водоупорными слоями и обладающие гидростатическим напором. В отличие от межпластовых ненапорных вод артезианские воды полностью насыщают водопроницаемый слой от подошвы до кровли. При вскрытии напорного водоносного пласта скважинами вода поднимается выше его водоупорной кровли, а при сильном напоре и низких абсолютных отметках земной поверхности может самоизливаться на поверхность (рис. 4.1.7) с высотой фонтанирования до нескольких десятков метров.

Рис. 4.1.7. Артезианский бассейн. Области: а — питания напорных вод; б — напора; в — разгрузки; 1 — уровень грунтовых вод; 2 — пьезометрический уровень напорных вод; 3 — водоносный напорный пласт; 4 — водоупоры; 5 — скважины; Я — величина пьезометрического напора

 

Артезианские воды обычно залегают на большой глубине и при-урочены к синклинальным (прогнутым) геологическим структурам. При синклинальном залегании пластов создаются наиболее благоприятные условия для образования гидростатического напора. Напорные воды встречаются и при моноклинальном (односклоновом) залегании водоносых пластов, если последние резко изменяют свою водопроницаемость или выклиниваются. Они могут быть приурочены также и к зонам тектонических нарушений и разломов.

Геологические структуры синклинального типа, содержащие один или несколько напорных водоносных горизонтов и занимающие значительные площади (до нескольких сотен тысяч квадратных километров), называют артезианскими бассейнами. При моноклинальном залегании слоев образуется артезианский склон (рис. 4.1.8).

Рис. 4.1.8. Артезианский склон:

/ — водоносные напорные пласты; 2 — водоупорные породы; 3,4 — пьезометрические уровни; hx, И7 — высота напора воды

 

Основные элементы артезианского бассейна. В артезианских бассейнах выделяют три области: питания, напора (распространения) и разгрузки (см. рис. 4.1.7).

Область питания распространена в приподнятой части артезианского бассейна, в месте выхода водопроницаемых слоев на поверхность. На ее территории происходит инфильтрационное питание напорных вод и переход поверхностного потока в подземный. Подземные воды в этой области не обладают напором и относятся к типу грунтовых. В местах с низкими отметками рельефа (долины крупных рек, озерные впадины, побережья морей) обычно располагаются области разгрузки артезианских вод. Напорные воды разгружаются непосредственно в реки или отложения рек, под уровень моря или выходят на дневную поверхность, образуя родники и заболоченности. В области разгрузки напорные воды смешиваются с грунтовыми и становятся ненапорными. Общее направление движения артезианских вод — от области питания к области разгрузки.

Основную площадь артезианского бассейна занимает область напора (распространения). На ее территории подземные воды находятся под постоянным напором, который возрастает по мере приближения к осевой части синклинального прогиба. Величина напора вод характеризуется пьезометрическим уровнем, т. е. уровнем, который устанавливается в скважинах при вскрытии напорных вод. Если пьезометрический уровень расположен выше поверхности земли, высоту столба воды над устьем (началом) скважин, т. е. высоту самоизлива, определяют наращиванием обсадных труб.

Высота столба воды в метрах, отсчитываемая от кровли водного пласта, называется напором над кровлей h (рис. 4.1.9). Истинное значение напорности выражает пьезометрический напор Я, который отсчитывается от плоскости сравнения О—О (уровень моря) до пьезометрического уровня. Высота пьезометрического напора отсчитывается иногда не от плоскости сравнения, а от подошвы напорного водоносного пласта (Нп).

Напор воды создается благодаря перепаду отметок высот областей питания и разгрузки, т. е. обусловлен законом сообщающихся сосудов. Напорность связана также с упругими свойствами воды и вмещающих ее горных пород.

Карты пьезометрической поверхности напорных вод (карты гидроизопьез). Линии, соединяющие точки с одинаковыми отметками пьезометрического уровня, называют гидроизопьезами (или пьезогипсами). Карта гидроизопьез — совокупность таких линий и строится она методом интерполяции отметок, т. е. аналогично карте гидроизогипс. Если напорных водоносных горизонтов несколько, для каждого из них на карте наносится своя система гидроизопьез.

С помощью карты гидроизопьез решают ряд практических задач, связанных с использованием артезианских вод для водоснабжения, с организацией защиты от них при вскрытии строительными котлованами кровли напорного пласта и т. д„ По карте гидроизопьез изучают условия формирования потоков артезианских вод, определяют направление их движения (по нормали к гидропьезам в сторону меньших отметок), выделяют участки возможного самоизлива (при совмещении гидроизопьез с горизонталями), устанавливают гидравлическую связь напорных вод с реками и пр.

При использовании артезианских вод для водоснабжения наиболее перспективным считается самый верхний напорный горизонт, где обычно залегают слабоминерализованные (пресные) воды.

Артезианские воды практически не загрязнены и, как правило, обладают значительной водообильностью. К недостаткам следует отнести необходимость в ряде случаев проходки очень глубоких скважин для вскрытия напорного водоносного горизонта.

Общая характеристика основных артезианских бассейнов России. На территории России расположено несколько крупных артезианских бассейнов, т. е. значительных по размерам геологических структур, к которым приурочены напорные воды. Площади артезианских бассейнов измеряются десятками и сотнями тысяч квадратных километров. Наиболее крупные из них Западно-Сибирский, Московский, Якутский и др. В артезианских бассейнах сосредоточены огромные естественные запасы пресных, а также минеральных, промышленных и термальных вод.

Московский артезианский бассейн расположен на огромной территории (около 500 тыс. км2), в пределах. Восточно-Европейской равнины. Мощность осадочного чехла, содержащего более 15 водоносных горизонтов различного возраста, составляет в центре бассейна около З км. Пресные воды артезианского бассейна широко используются для водоснабжения городов Москвы, Калуги, Тулы, Смоленска и др. В то же время подземные воды артезианского бассейна значительно осложняют проходку и эксплуатацию метрополитена в Москве, шахт в Подмосковном угольном бассейне и др., так как являются основными источниками их обводнения.

Московский артезианский бассейн характеризуется огромными запасами промышленных (бромных, йодо-бромных и др.) и минеральных вод.

Самым крупным на территории России является Западно-Сибирский артезианский бассейн. Площадь бассейна — около 3,5 млн км2, мощность осадочного чехла в его центральной части — 5—7 км. Для водоснабжения основное значение имеет верхний этаж, отделенный от нижнего гидрогеологического этажа мощной толщей песчано-глинистых отложений. Эксплуатационные запасы пресных и солоноватых вод только верхней части артезианского бассейна составляют 1100 м3/с. Велики запасы минеральных и термальных вод.

Мощными аккумуляторами подземных вод на территории России являются и другие артезианские бассейны платформенного типа: Якутский, Азово-Кубанский, Причерноморский, Ангаро-Ленский и др.

Артезианские бассейны занимают лишь часть территории России. На остальной части территории распространены гидрогеологические массивы, приуроченные к поднятиям кристаллического фундамента, и складчатые области с преимущественным развитием трещинных вод. Известны, например, бассейны трещинных вод Алданского кристаллического массива, Саяно-Алтайской и Уральской складчатой области.