Вулканизм и сейсмические явления

Землетрясения происходят только в районах геосинклиналей, где литосферные плиты либо сталкиваются друг с другом, либо расходятся, наращивая образование новой океанической коры. Ежегодно регистрируются сотни тысяч землетрясений, но только около 100 из них можно отнести к разрушительным. Причины: извержение вулканов, обрушение пород над горными выработками, в результате искусственных взрывов и тектонические.

Тектонические землетрясения – это мгновенное высвобождение энергии за счет образования разрыва горных пород. Деформация пород происходит скачкообразно с образованием упругих волн. Объем горных пород, подвергшийся разрыву, определяет силу сейсмического толчка и выделившуюся энергию.

Цунами – возникновение пологих волн (L = 150 км, Н = 20–40 м) в результате подводного землетрясения.

Гипоцентр – очаг зарождения землетрясения, различают (поверхностные – гипоцентр находится от 1–10 км от поверхности земли, коровые от 30 до 50 км и плутонические – более 100 км).

Эпицентр – проекция гипоцентра на поверхность Земли.

В зависимости от глубины гипоцентра различают землетрясения:

– мелкофокусные – до 70 км (встречаются чаще всего на глубине 10–30 км, т. е. в нижней части литосферы);

– среднефокусные – 70–300 км,

– глубокофокусные – 300–700 км.

Упругие колебания в виде продольных и поперечных волн распространяются во всех направлениях от гипоцентра землетрясения. Продольные волны называются Р -волнами (primary – первые, т. к. они первыми достигают поверхности земли). Продольные волны вызывают сжатие и растяжение среды в направлении их движения и распространяются в любой среде. Скорость зависит от свойств веществ (в песках – 0,7–1,6 км/сек, в гранитах – 1,5–5,6 км/сек, в воде – 1,5 км/сек).

Поперечные волны сдвигают частицы перпендикулярно к направлению своего движения. Они распространяются только в твердой среде и вызывают в породах деформацию сдвига и не распространяются в жидкостях и газах, т. к. их модуль сдвига равен 0. Скорость поперечных волн (V_s) в 1,7 раза меньше скорости продольных (V _р). Период распространения волн варьирует от долей сек до 5 сек.

Поверхностные сейсмические волны (L) наблюдаются на поверхности земли, скорость их в 2 раза ниже поперечных волн (V_s). Они быстрее затухают на расстоянии, но не менее опасны.

Оценка силы землетрясения производится при помощи сейсмографов.

В сейсмических районах выполняются дополнительные работы, согласно СП 47.13330.2012 Инженерные изыскания для строительства. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 11-02-96. и СП 11.105–97 «Инженерные изыскания для строительства».

Территории с силой землетрясений меньше 7 баллов – проектируют без учета сейсмичности, с расчетной сейсмичностью 7,8,9 баллов – проектирование по СП 14.13330-2011 Строительство в сейсмических районах. Актуализированная редакция СНиП II-7-81.

Корректировка баллов по сейсмическим картам производится следующим образом. Исходный балл увеличивается на 1 – для участков, сложенными дисперсными (рыхлыми) грунтами, при высоком уроне залегания грунтовых вод (3–4 м). Балл не изменяют – для участков сложенных твердыми и полутвердыми пластичными и обломочными грунтами, при УГВ более 8 м. Исходный балл уменьшаем на 1 для участков сложенных скальными и полускальными породами при глубине залегания УГВ более 15 м.

Вулканы образуются, в случае прорыва магматического расплава, образовавшегося во внутренней части Земли (астеносфере) на поверхность. Магма образуется в результате частичного плавления горных пород, либо в верхней части мантии, либо в нижней части земной коры. Плотность магматического расплава меньше плотности горных пород, поэтому сформировавшаяся магма поднимается на поверхность.

Лава – излившаяся на поверхность магма. Вязкость магматического расплава – мера сопротивления течению, зависит от химического состава расплава; температуры (чем меньше температура, тем больше вязкость); от содержания газов (при большом количестве газов – вязкость ниже). Низкой вязкостью обладает магма базальтового (основного) состава, скорость течения которой от 30 км/час до 50 км/час. Высокой вязкостью обладает магма кислого состава (комковатая лава) – взрывные извержения, эксплозивный вулканизм.

Продукты извержения вулканов – расплав и твердый материал. В случае, когда магма (расплав) кристаллизуется на поверхности, образуется риолит или базальт, под водой – обсидиан. Твердый материал извержения: пирокластический материал, тонкий пепел в результате консолидации преобразуется в вулканический туф, крупный материал – в вулканические брекчии.

Вопросы для самопроверки.

1. Как называется очаг зарождения землетрясения? Как различаются землетрясения в зависимости от глубины зарождения очага?

2. Какие виды сейсмических (упругих) волн различают?

3. Где располагается эпицентр землетрясения?

4. Влияние рельефа местности, состава пород, условий залегания пород и грунтовых вод на силу землетрясения.

5. Как определяют сейсмическое ускорение, балл землетрясения и коэффициент сейсмичности?

6. Как будет происходить извержение вулканов при основном и при кислом составе магмы?

Основы грунтоведения

Грунтоведение – наука о грунтах, исследующая состав, состояние, строение и свойства грунтов, закономерности их формирования и пространственно-временного изменения в процессе инженерно-строительной деятельностью человека. Грунтами называют любые горные породы, почвы, осадки и техногенные образования, рассматриваемые как многокомпонентные динамичные системы и часть геологической среды.

Грунты могут служить:

– материалом оснований сооружений,

– материалом самого сооружения (дорог, насыпей, плотин),

– средой для размещения в них сооружений (тоннелей, трубопроводов, хранилищ) и др.

В соответствии с ГОСТ 25100-2011 классификация грунтов распространяется на все грунты и устанавливает их классификацию, применяемую при производстве инженерных изысканий, проектировании и строительстве зданий и сооружений. Грунты подразделяются на классы: скальные, дисперсные и мерзлые.

Классификация грунтов включает следующие таксономические единицы, выделяемые по группам признаков:

– класс (подкласс) – по природе структурных связей;

– тип (подтип) – по генезису;

– вид (подвид) – по вещественному, петрографическому или литологическому составу;

– разновидность – по количественным показателям состава, строения, состояния и свойств грунтов.

Скальные грунты обладают жесткими структурными связями (кристаллизационными и цементационными).

Дисперсные грунты характеризуются физическими, физико-химическими или механическими структурными связями. Грунты с механическими структурными связями выделяют в подкласс несвязных (сыпучих) грунтов, а грунты с физическими и физико-химическими структурными связями в подкласс связных грунтов.

Мерзлые грунты, наряду с другими структурными связями обладают криогенными связями (за счет льда). Грунты с криогенными и одновременно с кристализационными и цементационными структурными связями выделяют в подкласс скальных мерзлых грунтов; грунты с криогенными и одновременно с физическими и физико-химическими структурными связями – в подкласс дисперсных мерзлых грунтов; грунты только с криогенными связями выделяют в подкласс ледяных грунтов.

Физические свойства грунтов

Плотность ρ – масса единицы объема грунта с естественной влажностью и ненарушенным сложением, зависит от минералогического состава. Для дисперсных грунтов – ρ =1,3–2,0 г /см³, для скальных – ρ =2,5–3,3 г /см³.

Плотность частиц грунта ρ _s – отношение массы сухого грунта, исключая массу воды в порах, к объему твердой части, ρ _s =2,2–3,2 г /см³.

Естественная влажность (W) – все количество воды, содержащееся в порах грунта в естественном залегании. Определяют высушиванием грунта при температуре 105–107 ºС в течение 8 часов, определяется как отношение массы воды к массе сухой породы.

Пористость (n) – отношение объема пор к объему грунта, измеряется в %, обычно 30–60 %, в расчетах используется величина приведенной пористости – коэффициент пористости (е) – отношение объема пор к объему твердых минеральных частиц.

Значения плотности применяются для характеристики физических свойств грунта как основания или строительного материала, а также для расчетов при динамических нагрузках.

Водно-физические свойства грунтов

Водно-физические свойства грунтов являются важнейшими характеристиками физического состояния определяющие прочность и деформируемость.

Полная влагоемкость (W _П.В, д. е.)– максимальное содержание воды, содержащееся в породе,.

Коэффициент водонасыщения грунта, степень влажности, (S_r, д. е.) – степень заполнения объема пор водой

Критерии физического состояния глинистых грунтов – число пластичности (J_p;), показатель текучести (J_L,).

Пластическими свойствами обладают дисперсные связные грунты – глины, суглинки и супеси.

Пластичность – свойство грунтов изменять под действием внешних сил (давление) свою форму и размеры без разрыва сплошности и сохранять полученную форму, после снятия нагрузки.

Влажности, при которых грунт обладает пластичными свойствами, называют верхним и нижним пределом пластичности:

– верхний предел пластичности (W_L) – граница текучести соответствует влажности, при незначительном увеличении которой, грунт переходит в текучее состояние (определяется опытным путём).

– нижний предел пластичности (W_p) – граница раскатывания соответствует влажности, при незначительном уменьшении которой, грунт переходит в твёрдое состояние (определяется опытным путём).

Число пластичности – разность между влажностью на границей текучести и влажностью на границей раскатывания. По числу пластичности глинистые грунты подразделяются на супеси, суглинки и глины (прил. 2).

Деформационные свойства – характеризуют поведение грунта под нагрузками, не превышающими критические. Деформационные свойства дисперсных грунтов определяются их сжимаемостью под нагрузкой, в результате смешения минеральных частиц относительно друг друга и зависит от пористости породы.

Сжимаемость – способность грунтов деформироваться под влиянием внешней нагрузки, не подвергаясь разрушению, определяется модулем общей деформации Е, МПа и зависит:

– от гранулометрического состава,

– минералогического состава,

– структуры и текстуры пород.

Прочность грунтов – характерное поведение грунта под нагрузками, равными или превышающими критические, и определяется только при разрушении грунта. Для дисперсных грунтов прочность характеризуется сопротивлением грунтов сдвигу, τ, МПа. Для скальных грунтов прочность характеризуется пределом прочности на одноосное сжатие R _с (МПа).

Набухание – способность глинистых пород при насыщении водой увеличивать свой объем. Возрастание объема породы сопровождается развитием в ней давления набухания (глины и тяжелые суглинки), характеризуется относительной деформацией набухания без нагрузки e _sw, –  отношение увеличения высоты образца грунта при замачивании после свободного набухания в условиях невозможности бокового расширения к начальной высоте образца природной влажности (прил. 2).

Набухание грунтов зависит:

– от содержания глинистых и пылеватых частиц, их минералогического состава,

– от химического состава воды, взаимодействующей с породой (бентонитовая глина увеличивается в объеме на 80 %, каолиновая на 25 %).

Просадочность – свойство лессовых грунтов уменьшать свой объем без изменения давления и давать просадку при замачивании и характеризуется относительной деформацией набухания без нагрузки e _sw, –  отношение увеличения высоты образца грунта при замачивании после свободного набухания в условиях невозможности бокового расширения к начальной высоте образца природной влажности (прил. 2).

Лессы – пылеватые суглинки, супеси (фракции 0,05–0,005 мм >50 %), в сухом состоянии держат вертикальные откосы, быстро размокают в воде, пористость более 40%, высокое содержание карбонатов, засоление легко растворимыми солями.

Усадка грунта – уменьшение объема породы под влиянием высыхания, зависящее от его естественной влажности.

Размокание – способность глинистых грунтов в соприкосновении со стоячей водой (замачивании) терять связность и разрушаться, превращаясь в рыхлую массу, с частичной или полной потерей несущей способности.

Коррозионные свойства глин возникают в результате электролиза, начинающегося при воздействии блуждающих электрических токов (трамваи, троллейбусы в городах), в результате чего происходит разрушение строительных материалов и подземных металлических трубопроводов.

Ил – водонасыщенный современный или древний нелитифицированный морской или пресноводный органо-минеральный осадок, содержащий более 3 % (по массе) органического вещества текучей консистенции, коэффициент пористости е ≥ 0,9 и содержание частиц менее 0,01 мм более 30%. Илы не выдерживают даже минимальные нагрузки, в результате которых выдавливаются, а при динамическом воздействии разжижаются.

При устройстве оснований сооружений ил заменяют на другой грунт, используют свайные основания, опирающиеся на прочные грунты, выполняют наброску камня или намывают слой песка.

Заторфованные грунты – песчаные или глинистые грунты, содержащие в своем составе торф (от 3 % для песка и от 5% для глинистого грунта до 50% по массе).

Торф – органический грунт, содержащий в своем составе более 50% (по массе) органического вещества_, характеризующийся высокой влажностью, сильной сжимаемостью, неравномерными осадками. При строительстве применяются свайные основания, выторфовка, уплотнение с помощью дренажных скважин.

Классификационные показатели скальных грунтов приведены в приложении 3, обломочных грунтов – в приложении 4.

Прочность – свойство грунтов сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, вызванных внешними силами. Предел прочности скальных грунтов на одноосное сжатие R_c, (МПа) – отношение нагрузки, при которой происходит разрушение образца, к площади его первоначального поперечного сечения.

Выветривание – совокупность процессов разрушения горных пород, изменения их химического и минерального состава в результате внешних воздействий. Степень разрушения породы в результате процессов выветривания определяется по коэффициенту выветрелости грунта, К _wr,, как отношение плотности выветрелого грунта ρ_в к плотности невыветрелого грунта ρ_нв.

Размягчаемость – уменьшение прочности скальных грунтов при водонасыщении. Численно характеризуется коэффициентом размягчаемости К_sof, – отношение пределов прочности грунта на одноосное сжатие в водонасыщенном и в воздушно-сухом состоянии.

Степень растворимости в воде q_sr, г/л, – величина, отражающая способность грунта растворяться в воде при нормальных условиях за счет растворения неорганических и органических веществ, определяемая при соотношения грунта и воды 1:5 и равная концентрации образующегося равновесного раствора.

Вопросы для самопроверки.

1. Определите класс, группу, подгруппу, тип для гнейса и алевролита по ГОСТ 25100-2011.

2. Дайте понятие плотности и пористости грунта.

3. Что такое пластичность и какие грунты обладают пластичностью?

4. Деформационные свойства грунтов, основные показатели?

5. Прочностные свойства грунтов, основные показатели.

6. В каких грунтах может возникнуть процесс набухания, в каких грунтах могут возникнуть просадки?

7. Что такое торф? Особенности строительства на заторфованных грунтах.

Подземные воды

Классификация подземных вод

Подземные воды – воды, находящиеся в верхней части земной коры. Наука о подземных водах, их происхождении, условиях залегания, законах движения, физических и химических свойствах, связях с атмосферными и поверхностными водами называют гидрогеологией. Для строителей подземные воды в первом случае – источник водоснабжения, во втором – фактор, затрудняющий производство земляных и горных работ в условиях притока подземных вод в котлованы и горные выработки. Подземные воды вызывают разрушение материалов, используемых для строительства подземных частей сооружений (фундаментов).

В результате взаимодействия подземных вод и горных пород в основании сооружений происходит изменение физико-механических свойств пород, как правило, приводящее к уменьшению прочности. Подземные воды являются одной из причин, вызывающих такие геологические процессы, как просадки лёссовых пород, пучение, оползни, карст, суффозию и другие.

В природе наблюдается малый и большой круговорот воды. Малый круговорот происходит по схеме: море – атмосфера − море; большой круговорот: море – атмосфера – суша − море. Осадки, выпавшие на сушу, делятся на три части: испарение, сток и просачивание (инфильтрация) в почву.

Образование подземных вод

Инфильтрация – просачивание по порам и трещинам горных пород атмосферных осадков, речных и др. вод под действием силы гравитации (верхняя часть земной коры.).

Конденсация водяных паров – в пустынях и под фундаментами зданий.

Ювенильные воды – пар, горячие источники при вулканической деятельности (при остывании и дегазации магмы).

Седиментационные – соленые водыв зонах замедленного водообмена (при уплотнении древних морских осадков).

Вода в горных породах существует в двух основных видах – связанная и свободная. Связанная водаподразделяется:

– на кристаллизационную, которая находится в кристаллической решетке минералов;

– цеалитную, занимающую свободное пространство в кристаллической решетке минералов (SiO₂ – кварц, а с nН₂О – опал);

– конституционную – в виде иона ОН^-.

Свободная вода подразделяется:

− на водяной пар, который занимает все поры, свободные от жидкой воды и  образуется из всех других форм почвенной воды, путем испарения и вновь переходит в нее путем конденсации.

− гигроскопичная – это вода, поглощаемая коллоидными оболочками частиц грунта (породы), отделить можно только нагреванием;

− пленочная – слабосвязанная вода, окружающая набухшую частицу грунта (породы) в виде оболочки (свойство влагоемкости – способность горных пород удерживать часть воды в капельножидком состоянии);

− капиллярная вода – защемленная или связанная с капиллярами между отдельными гранулами или частицами горных пород;

− гравитационная – свободная вода, движется под влиянием гравитационных сил (силы тяжести);

− лед – в твердом состоянии (в условиях многолетней мерзлоты).

Основные гидрогеологические понятия

Водопроницаемые породы – горные породы, пропускающие через себя воду, могут составлять и зону аэрации, и зону насыщения.

Водоупорные породы − это горные породы, задерживающие фильтрацию воды (монолитные скальные породы, мерзлые породы, глины).

Водоносные породы – горные породы, дающие возможность движения воды в порах и пустотах.

Водоносный горизонт − водоносные породы, насыщенные водой и образующие по площади и мощности выдержанный пласт.

Уровень грунтовых вод – это граница между зоной аэрации и зоной насыщения.

Главные водно-физические свойства горных пород

Влажность (W) – отношение массы воды в порах к массе сухого грунта (высушивание при t =105 ºС).

Пористость(отношение объема пор к объему грунта) – обуславливает возможность присутствия подземных вод в земной коре.

Влагоемкость– способность горных пород вмещать и удерживать определенное количество воды (численно может быть равна пористости). По степени влагоемкости горные породы подразделяются на три категории:

– весьма влагоемкие (торф, глины, суглинки),

– слабовлагоемкие (мергели, рыхлые песчаники, мелкие пески),

– невлагоемкие (изверженные и осадочные породы, галечник, гравий, крупный песок).

Водоотдача – характеризуется количеством гравитационной воды, которое можно получить из 1 м³ породы путем свободного стока.

Водопроницаемость – способность горных пород пропускать через себя воду. Степень водопроницаемости не определяется величиной пористости, а зависит от размера пор (пустот). Пример: глины имеют пористость порядка 60 %, однако водонепроницаемы, а песок, с пористостью 30 % – хорошо водопроницаем.

По степени водопроницаемости горные породы подразделяют:

– на хорошо водопроницаемые (галечник, гравий, крупнозернистый песок, карст), к_ф = 3–30,

– водопроницаемые (трещиноватые скальные породы, пески), к_ф = 0,3–3,

– слабопроницаемые (пылеватые пески, супеси, суглинки, лессы, торф), к_ф = 0,005–0,3,

– непроницаемые (водоупорные) – мерзлые породы, монолитные породы, глины, к_ф < 0,005.

Коэффициент фильтрации к_ф  (м/час, м/сутки) – скорость движения подземных вод через породу при гидравлическом градиенте I = 1.

Основные физические свойства подземных вод (органолептические): температура, цвет, прозрачность, вкус, запах.

Химический состав подземных вод

Вода является сложным соединением. В природе не существует воды, тем более, подземной, которая не содержала бы в своем составе солей и газов. Часть из них присутствует в виде элементарных и сложных ионов (катионов и анионов), а часть в виде молекул и сложных веществ. В молекулярном и коллоидальном состоянии в подземных водах содержатся органические вещества и кремнекислота – SiO₂×Н₂О. В коллоидальном состоянии могут находитьсягидроокись [Fe(OН)₃] и окись железа (Fe₂O₃×4Н₂О), окись алюминия (Al₂O₃×Н₂О).

В молекулярном виде в подземных водах содержатся газы: двуокись углерода (СО₂), сероводород (Н₂S), азот (N₂), метан (СН₄), кислород (О₂). Иногда повышенные содержания радиоактивных веществ. Все особенности химического состава подземных вод определяются геологическими условиями и климатическими факторами.

Важнейшими ионами, определяющими минерализацию (химический состав) воды являются: анионы – Сl^-, SO₄^2- и НСО₃^-, катионы – Na⁺, Са²⁺, Мg²⁺.

Общая минерализация (М, г/л) – сухой остаток после выпаривания1 л воды (до 1 – пресная, 1–10 – солоноватая, 10–35 – соленая, более 35 – рассолы).

Все подземные воды по преобладающему аниону делятся на три класса: гидрокарбонатные (НСO₃^-), сульфатные (SO₄^2-) и хлоридные (Сl^-).

Каждый класс, по преобладающему катиону, делится на три группы: кальциевые (Са²⁺), натриевые (Na⁺) и магниевые (Мg²⁺).

Жесткость воды– свойство, обусловленное наличием в ней растворенных соединений Са²⁺ и Мg²⁺, и способностью их образовывать плотный нерастворимый осадок при кипячении (плотная корка в котлах). Это свойство отчетливо выявляется при растворении в воде мыла: чем вода жестче, тем больше мыла требуется для появления пены. Жесткие воды непригодны для многих производств – бумажного, сахарного, кожевенного и т. д. Выражается в мг-экв, (1 мг-экв жесткости – в 1 л воды содержится 20,4 мг катионов Са и 12,6 мг катионов Мg).

Концентрация водородных ионов (рН). Показатель важен для правильного определения химического состава воды. При нейтральной реакции – рН = 7, при кислой – рН < 7,0, при щелочной – рН >7,0. Определяют лакмусовой бумажкой (допустимо 6,5–8,0)

Агрессивность подземных вод – свойство подземных вод разрушать горные породы и стройматериалы, в результате соприкосновения. Агрессивность зависит от кислотности подземных вод и скорости их движения. В песчаных грунтах агрессивность проявляется при рН < 7, в глинистых грунтах – при рН < 5.

По отношению к бетону различают агрессивности:

− углекислая агрессивностьпроявляется при содержаниив воде Н₂СО₃ высокой концентрации. Показатель агрессивная углекислота – то количество Н₂СО₃, которое превышает равновесное, вызывая постоянное растворение карбоната кальция (карбонатные породы – известняки, мергели).

− выщелачивающая агрессивность – определяется величиной временной жесткости, которая зависит от НСО₃^-, проявляется в ультрамягких или мягких водах, в которых находится минимальное содержание ионов НСО₃^-. Ультрамягкие воды способны выщелачивать карбонаты до момента создания равновесия между карбонатами и бикарбонатами.

− общекислотная агрессивность – зависит от рН, особенно активна кислая среда (рН <5) – активный растворитель для вмещающих пород (солей, карбонатов), опасна для железобетонных конструкций.

−сульфатная агрессивностьопределяется наличием в водах иона SO₄^2-. Соли серной кислоты обладают опасным свойством притягивать к себе nH₂O. Переход ангидрида в гипс дает увеличение объема в 2 раза. При соединении алюмосиликатов с такими водами в результате гидратации на цементе образуется соль Деваля, или цементная бацилла (наросты, вспучивание, крошится бетон).

− магнезиальная агрессивность – определяется наличием ионов Mg⁺⁺, которые легко вступают в соединения, образуя соли, легко растворимые в воде, опасна для железных конструкций.

Свободный кислород, рН, SO₄^-- – приводят к активному действию воды на железные конструкции – коррозия и растворение металлов.

Меры борьбы: при общекислотной агрессивности допускается подщелачивание воды при условии малых движений подземных вод, при выявлении сульфатной агрессивности применяют специальные виды цемента. Железные конструкций заменяются другими материалами (чугун, пластмассы и пр.). Применяются различного рода гидроизоляционные материалы.

Классификация подземных вод по степени заполнения пористого пространства

Подземные водыпринято делить на две зоны, неравномерные по мощности:

− зона аэрации – это промежуточный слой между атмосферой и подземной гидросферой, пустоты, трещины и поры проницаемых пород не всегда и не везде заполнены водой. Здесь происходит вертикальное просачивание атмосферной влаги или поверхностных вод, и могут возникать скопления временных или сезонных вод:почвенные воды,верховодка.

− зона насыщения – все поры в породе заполнены водами, которые подразделяются по гидродинамическому признаку набезнапорные (грунтовые) и напорные (артезианские).

Верховодка – это временный водоносный горизонт, возникающий наиболее близко к земной поверхности в зоне аэрации на небольших по площади водоупорных слоях (линзах) при условии обильного питания подземных вод.

Особенности: площадь верховодки редко превышает 300 м², летом, испаряются или инфильтруются на глубину, зимой промерзает, легко загрязняема бытовыми отходами.

Безнапорные (грунтовые) воды – это свободные гравитационные воды первого от поверхности постоянно существующего водоносного горизонта, заключенных в рыхлых четвертичных отложениях или в верхней части коренных пород и развитого на первом от поверхности региональном водоупорном слое.

Особенности грунтовых водоносных горизонтов:

− имеют свободную поверхность (давление на поверхность грунтовых вод равно атмосферному);

− при вскрытии грунтовых вод искусственными выработками уровень воды устанавливается на той же самой глубине, на которой появляется; питание грунтовых вод происходит по всей площади их распространения за счет атмосферных осадков, за счет инфильтрации вод из рек и водоемов, поступление подземных напорных вод из более глубоких горизонтов;

− дренирование (разгрузка) грунтовых вод осуществляется в основном эрозионной сетью на участках пересечения уровня грунтовых вод с понижениями рельефа, на которых образуются выходы подземных вод на поверхность в виде источников, родников, а также под водой (подводная, подрусловая разгрузка);

− тесная взаимосвязь с речными водами, которые могут являться областью дренирования, а также областью питания в период паводков.

По условиям залегания безнапорные (грунтовые воды) образуют: грунтовые потоки, бассейны и межпластовые безнапорные воды.

Грунтовые потоки – движение грунтовых вод по уклону от области питания к области дренажа. Зеркало грунтовых вод имеет уклон от участков с большим гидростатическим напором к меньшим. Гидростатический напор (H) – абсолютная отметка уровня грунтовых вод в данной точке (высота от уровня мирового океана).

Грунтовый бассейн возникает в случае образования водоупорным ложем мульды (впадины). Часто грунтовый бассейн бывает частью грунтового потока.

Межпластовые безнапорные воды – водоносный горизонт, расположенный между двумя водоупорами со свободной водной поверхностью.

Для грунтовых вод характерен неустановившийся режим (резкие колебания уровня грунтовых вод в зависимости от времени года, значительное влияние температуры воздуха на температуру грунтовых вод и изменения химического состава (минерализации) в период межени и паводка).

Гидроизогипсы – линии, соединяющие точки с равными абсолютными отметками подземных вод, строятся при одновременном замере уровней в колодцах и скважинах и проводятся, как правило, через 0,5, 1, 2, 5, 10 м. Карты гидроизогипс в частности, позволяют выявить взаимосвязь поверхностных и подземных вод.

Артезианские (напорные) воды – это подземные воды, залегающие водоносных пластах в виде синклиналей или моноклиналей, между водоупорными слоями, находящиеся в первично сжатом состоянии и имеющие напор. В отличие от грунтовых (безнапорных) вод артезианские воды ограничены водоупорной кровлей пласта.Особенности артезианских вод:

– заполняют водоносный пласт на всю его мощность;

– залегают глубже грунтовых вод;

– приурочены к водоносным горизонтам, ограниченным слоями водоупорных пород – область питания, как правило, не совпадает с областью их распространения;

– находятся в первично сжатом состоянии и при вскрытии их искусственными выработками образуют напор. Установившийся уровень называют пьезометрическим уровнем;

– характеризуются более стабильным режимом в отличие от грунтовых вод;

– образуют артезианские бассейны и сложные водонапорные системы до 10 горизонтов.

Артезианские бассейны – определяются синклинальным залеганием пластов и геологическими структурами (мульды, впадины), образующими понижения в рельефе водоносного горизонта.

В каждом артезианском бассейне можно выделить: область питания; область развития напора; область разгрузки.

Область питания – область, в которой артезианский водоносный горизонт выходит на поверхность, поэтому воды здесь имеют свободную поверхность и не отличаются от грунтовых вод. По мере погружения под водоупорные породы воды приобретают упругий режим и становятся напорными.

Область развития напора – условная линия соединяющая область питания и область разгрузки водоносного горизонта. При вскрытии (искусственными выработками) под влиянием упругого режима вода поднимается вверх на высоту пьезометрического напора.

Область разгрузки (дренажа) – область выхода артезианского бассейна на поверхность земли или под толщу аллювиальных или делювиальных отложений на абсолютных отметках ниже абсолютных отметок области питания в виде восходящих источников.

Высотное положение области питания и области разгрузки контролирует положение пьезометрического уровня данного водоносного горизонта.

Линии, соединяющие равные абсолютные отметки пьезометрических уровней – гидроизопьезы. Карты гидроизопьез помогают определить направление движения потока, участки самоизлива, определяют гидравлическую связь с поверхностными водами.

По условиям залегания подземные воды классифицируются:

– на поровые воды (собственно поровые и пластово-поровые);

– трещинные воды (пластово-трещинные, трещинные, трещинно-жильные);

– карстовые (трещинно-карстовые);

– воды зоны многолетней мерзлоты (надмерзлотные, межмерзлотные, подмерзлотные).

Классификация подземных вод по характеру их использования

– хозяйственно-питьевые;

– технические – в производственных процессах и сельском хозяйстве;

– промышленные – содержат в растворе полезные ископаемые в промышленном значении (J, Br, Сu и др.);

– минеральные – повышенное содержание биологически активных веществ;

– термальные – температура более 37 ºС, для теплофикации городов.

Вопросы для самопроверки.

1. В какой зоне водообмена располагаются пресные подземные воды?

2. Какая теория объясняет образование подземных вод просачиванием вглубь Земли атмосферных осадков и поверхностных вод?

3. Какие горные породы (грунты) являются водопроницаемыми при коэффициенте фильтрации К_ф >1 м/сут.?

4. Какие горные породы (грунты) являются водонепроницаемыми при коэффициенте фильтрации К_ф < 0,005 м/сут.?

5. Как называется свойство подземной воды, обусловленное содержанием в ней ионов кальция Са²⁺ и магния Мg²⁺?

6. Как называется агрессивность подземных вод по отношению к бетону при повышенном содержании диоксида углерода СО₂?

7. Как называется вода, заполняющая поры грунта и передвигающаяся под влиянием силы тяжести, т. е. под влиянием разности напоров?

8. Для каких водоносных горизонтов характерна свободная поверхность, питание по всей площади распространения, нестабильный режим?

9. Как называется уровень, который  характеризует линия, соединяющая края наклонного или складчатого водоносного слоя, залегающего между двумя водоупорами и определяющая напор воды?

10. Какие полезные ископаемые добывают из промышленных вод?