Подземные воды

Введение

Вода, являясь одним из самых распространенных веществ в природе, представляет собой уникальное соединение, благодаря которому на Земле зародилась и существует такое явление, как жизнь, и все то, что мы называем биосферой.
Все воды земной коры, находящиеся ниже поверхности Земли в горных породах в газообразном и жидком состоянии называются подземными водами. Подземные воды составляют часть гидросферы – водной оболочки земного шара. Она или свободно циркулирует по трещинам и порам горных пород и почв, подчиняясь силе тяжести, или находится в физически и химически связанном состоянии с минеральными частицами почв, грунтов и горных пород.
Актуальность темы реферата заключается в том, что подземные воды играют существенную роль в глобальном круговороте воды. Подземные воды, характеризуясь особыми условиями миграции и разнообразными условиями формирования химического состава, являются составной частью единой гидросферы Земли.
Цель работы – более полное изучение подземных вод.
Для достижения поставленной цели необходимо решить несколько задач: рассмотреть историю изучения подземных вод, происхождение подземных вод, их химический состав и классификацию, геологическую деятельность, режим, основные принципы использования подземных вод, а также их загрязнение, охрану и другие моменты.
Структура реферата включает в себя несколько частей: введение, основную часть (две главы), заключение и библиографический список, состоящий из пяти источников литературы.
1. Подземные воды – важнейший регулятор пресной воды
1.1 История изучения подземных вод
Накопление знаний о подземных водах, начавшееся с древнейших времен, ускорилось с появлением городов и поливного земледелия. Искусство сооружения копаных колодцев до несколько десятков метров было известно за 2000-3000 тысячи лет до н.э. в Египте, Средней Азии, Индии, Китае. В этот же период появилось и лечение минеральными водами. В первом тысячелетии до нашей эры появились первые представления о свойствах и происхождении природных вод, условиях их накопления и круговороте воды на Земле (в работах Фалеса и Аристотеля - в Древней Греции; Тита Лукреция Кара и Витрувий - в Древнем Риме, и др.). Изучению подземных вод способствовало расширение работ, связанных с водоснабжением, строительством каптажных сооружений (например, кяризов у народов Кавказа, Ср. Азии), добычей соленых вод для выпаривания соли путем копания колодцев, а затем и бурения (территория России, 12-17 века). Возникли понятия о водах не напорных, напорных (поднимающихся снизу вверх) и самоизливающихся. Последние получили в 12 веке название артезианских - от провинции Артуа (древнее название "Артезия") во Франции.
До середины 19 века учение о подземных водах развивалось как составная часть геологии. Затем оно обособляется в отдельную дисциплину.
Общая гидрогеология изучает происхождение подземных вод, их физические и химические свойства, взаимодействие с вмещающими горными породами. Изучение подземных вод в связи с историей тектонических движений, процессов осадконакопления и дианогенеза позволило подойти к истории их формирования и способствовало появлению в 20 веке новой отрасли гидрогеологии - палеогидрогеологии (учение о подземных водах прошлых геологических эпох).
1.2 Происхождение подземных вод
Подземные воды формируются в основном из вод атмосферных осадков, выпадающих на земную поверхность и просачивающихся (инфильтрующих) в землю на некоторую глубину, и из вод из болот, рек, озер и водохранилищ, также просачивающихся в землю. Количество влаги, прогоняемой таким образом в почву составляет 15-20 % общего количества атмосферных осадков.1
Проникновение вод в грунты (водопроницаемость), слагающих земную кору, зависит от физических свойств этих грунтов. В отношении водопроницаемости грунты делятся на три основные группы: водопроницаемые, полупроницаемые и водонепроницаемые или водоупорные.
По условиям образования выделяются несколько типов подземных вод:
• инфильтрационные;
• конденсационные;
• седиментогенные;
• магматогенные, или ювенильные;
• метаморфогенные, или возрожденные.
Инфильтрационные подземные воды образуются из наземных вод атмосферного происхождения. Одним из главных видов питания их является инфильтрация, или просачивание в глубь Земли дождевых и талых атмосферных осадков. В ряде случаев в питании подземных вод принимают участие воды, фильтрующиеся из рек, озер, водохранилищ и из каналов.
Конденсационные воды образуются в результате конденсации водяных паров воздуха в порах и трещинах горных пород. Этот процесс объясняется разностью упругости водяных паров, находящихся в различных зонах аэрации, и взаимосвязанных с ними водяных паров атмосферного воздуха. Конденсация водяных паров имеет существенное значение для пустынных районов с малым количеством атмосферных осадков, где периодически возникают небольшие тонкие линзы пресных конденсационных вод, налегающих на соленые воды.
Седиментогенные подземные воды (лат. "седиментум" - осадок)- это высокоминерализованные (соленые) подземные воды в глубоких слоях осадочных горных пород. Происхождение таких вод, большинство исследователей связывают с захоронением вод морского генезиса, сильно измененных под влиянием давления и температуры. Они могут быть образованы одновременно с морским осадконакоплением, в этом случае их называют сингенетическими. Другой вариант их происхождения может быть связан с проникновением вод морских бассейнов в ранее сформированные породы, также в последующем захороненные новыми отложениями. Такие воды называют эпигенетическими (греч. "эпи"-на, после). Седиментогенные воды нередко называют "погребенными", или реликтовыми (лат. "реликтуc" - остаточный). Ряд исследователей (Н. Б. Вассоевич и др.) отводят существенную роль в формировании глубинных пластовых вод так называемым элизионным процессам (лат. "элизио" - выжимание), т. е. выжиманию под влиянием давления и температуры из иловых морских осадков седиментогенных вод в водопроницаемые песчаные и другие слои. Такие воды называются перемещенными.
Магматогенные подземные воды, образующиеся непосредственно из магмы, Э. Зюссом (1902) были названы ювенильными (лат. "ювенилис" - юный). Поступление таких вод происходит, с одной стороны, при извержении вулканов, с другой - из магматических тел, расположенных на глубине, в которых первоначально может содержаться до 7-10% воды

. В процессе кристаллизации магмы и образования магматических пород вода отжимается, по разломам и тектоническим трещинам поднимается вверх, поступает в земную кору и местами выходит на поверхность. Количество магматогенных вод незначительно. К тому же они поступают на поверхность уже в смешанном виде, так как на своем пути пересекают различные горизонты подземных вод иного генезиса.2
Метаморфогенные подземные воды (возрожденные, или дегидратационные) образуются при метаморфизме минеральных масс, содержащих кристаллизационную воду или газово-жидкие включения. Под влиянием температуры и давления происходят процессы дегидратации. Если они протекают длительно, то приводят к образованию капельножидкой воды, вступающей в общий геологический круговорот подземных вод.
Из рассмотренных генетических типов воды наиболее важное значение имеют инфильтрационные воды и в какой-то мере седиментогенные. Остальные разновидности представляют собой в большинстве случаев смешанные воды, доля которых в общем балансе подземных вод невелика.
1.3 Химический состав подземных вод
В природных водах обнаружено в растворенном виде свыше 80 элементов периодической системы Менделеева. Следовательно, подземные воды являются природными растворами. Наиболее широко распространены в природных водах Cl, S, С, Si, N, О, Н, К, Na, Mg, Са, Fe, Al, другие элементы встречаются реже и обычно в небольших количествах.
Водные растворы земных недр — это динамическая система, которая содержит Н2О и некоторое количество газов в различных фазах и состояниях; состав системы постоянно изменяется. Так, при выщелачивании пресные атмосферные осадки или речные воды растворяют какой-либо элемент из минерала, при этом их минерализация повышается и меняется состав, причем в воду переходят наиболее растворимые соли — NaCl, Na2SO4 и др.
При внедрении пресных инфильтрирующихся вод в осадочные породы морского генезиса происходят вытеснение раствора и смешение с водами морского происхождения.
Определение химического состава подземных вод имеет большое значение. Требования к качеству подземных вод изменяются в зависимости от целей их использования (для водоснабжения, при строительстве, в горном деле, для орошения и др.).
Свойства подземных вод зависят от количества и соотношения содержащихся в них в растворенном виде солей, присутствующих в воде в виде ионов — катионов и анионов. Наибольшее практическое значение имеют катионы Н, К, Мg, Са, Fe, Мn и анионы ОН, Cl, SO4, HCO3. В молекулярном и коллоидном состоянии почти во всех водах содержатся органические вещества и коллоиды. В молекулярном виде в подземных водах содержатся газы СO2, СН4, O2, N2, H2S и др.
В состав природных вод входят почти все известные радиоактивные элементы. Практическое значение приобрели воды, содержащие уран, радий и радон, широко используемые в бальнеологии и для получения различных полезных ископаемых.
1.4 Классификация
Существуют несколько классификаций подземных вод. Подземные воды подразделяются по характеру их использования и по условиям залегания. В инженерно–геологических целях классифицируются эти воды по гидравлическому признаку.
По характеру использования подземные воды делятся на:
• Хозяйственно – питьевые воды. Источниками водоснабжения обычно являются воды зоны интенсивного водообмена.
• Технические воды, используемые в промышленности и сельском хозяйстве.
• Промышленные воды содержат полезные элементы (бром, йод и т.д.) в количестве, имеющем промышленное значение; они залегают в зоне весьма замедленного водообмена.
• Минеральные воды, отличаются повышенным содержаним биологически активных микрокомпонентов, газов, радиоактивных элементов и т.д.
• Термальные воды имеют температуру более 37°С и используются для теплофикации городов и других энергетических целей.
В зависимости от условий залегания различают: почвенные воды, верховодку, грунтовые и артезианские воды (Рисунок 1). 3
Рисунок 1 - Классификация подземных вод по условиям залегания
Почвенные воды распространены в почвенном слое близ поверхности Земли. Их формирование связано с процессами инфильтрации атмосферных осадков, снеготалых вод и конденсации атмосферной влаги.
Верховодки – временные скопление подземных вод в зоне аэрации, они образуются над локальными водоупорами.
Грунтовые воды – это постоянные во времени и значительные по площади распространения горизонты подземных вод, залегающие на первом от поверхности водоупорном слое.
Межпластовые подземные воды располагаются в водопроницаемых породах, которые сверху и снизу ограничены водонепроницаемыми пластами.
Артезианские воды – напорные подземные воды, залегающие в водоносных горизонтах (комплексах), между водоупорными или относительно водоупорными пластами.
1.5 Геологическая деятельность
Подземные воды на своем пути по порам и трещинам производят в определенных условиях весьма значительную работу химического растворения (коррозию), механического переноса и повторного отложения вещества. Различают три вида геологической деятельности подземных вод: карст, суффозию и грязевый вулканизм.
На своем подземном пути вода встречает растворимые породы, к которым относятся галогены (каменная соль), карбонатные породы (известняк, доломит, мрамор), а также сульфаты (гипс, ангидрит). Протекая по трещинкам, вода растворяет породы, отчасти механически размывает их, расширяя путь, часто образуя большие подземные полости и пещеры. Подобную работу производят и атмосферные воды, стекающие по поверхности выходов растворимых пород и просачиваясь в их трещины. Вся совокупность этих процессов носит название карста или карст образования.
Наряду с растворением подземные воды способны в определенных условиях выносить из горных пород твердые частички чисто механическим путем. Это процесс суффозии (Рисунок 2).4
Рисунок 2 - Суффозия
Для возникновения грязевых вулканов необходимы следующие условия: наличие напорных подземных вод, подземных скоплений нефтяных газов и способных разжижаться трещиноватых глинистых пород.
1.6 Режим подземных вод
Режим подземных вод – это изменение во времени их уровня, химического состава, температуры и расхода.
В естественных условиях для подземных вод характерен ненарушенный (естественный) режим, который формируется в основном под влиянием метеорологических, гидрологических и геологических факторов.
Метеорологические факторы (осадки, испарение, температура воздуха, атмосферное давление) - основные в формировании режима грунтовых вод