2. Подземные воды

Являясь составной частью гидросферы, подземные воды производят, в отличие от поверхностных вод, очень своеобразную геологическую работу. Они располагаются в промежутках между составными частями горных пород, заполняя поры, трещины и другие пустоты, в связи с чем не обладают свободной энергией и не имеют в большинстве случаев открытой свободной поверхности. Подземные воды просачиваются по порам, трещинам и пустотам горных пород и только на отдельных участках могут свободно перемещаться, например, в подземных пещерах, перенося некоторую часть обломочного материала. Изучением подземных вод занимается специальная наука, которая называется гидрогеологией. Подземные воды являются важным источником питьевого и технического водоснабжения. Часто они содержат в растворённом состоянии различные соли, химические элементы и в этом случае называются минеральными. Существуют также термальные воды, нагретые в земной коре до разных температур. Такие воды используются в качестве источников тепла для обогревания производственных и жилых помещений, теплиц и других сооружений. Воды могут находиться в жидком, твёрдом и парообразном состоянии. Твёрдая вода представляет собой лёд. В парообразном состоянии находятся водяные пары, заполняющие поры, трещины и другие пустоты в горных породах.

Жидкая вода может находиться в горных породах и минералах в разных видах:

1) гигроскопическая вода сплошной плёнкой или в виде мелких капелек покрывает стенки разных пустот в горных породах. Она не может перемещаться под действием силы тяжести, а выделяется из породы нагреванием до температуры более 100?С, в результате чего переходит в парообразное состояние и уходит по пустотам и трещинам;

2) плёночная вода образует сплошную плёнку толщиной в несколько молекул на поверхности зёрен и перемещается от участков с большей толщиной плёнки к участкам с меньшей толщиной плёнки вплоть до выравнивания толщины слоя воды;

3) капиллярная вода заполняет трещины и пустоты в горных породах и удерживается в них благодаря силам поверхностного натяжения. Особенность этого типа вод состоит в том, что их перемещение происходит в любом направлении и не зависит от силы тяжести;

4) гравитационная вода передвигается по пустотам и трещинам горных пород под действием собственной силы тяжести. В отличие от других типов вод, гравитационная образует зеркало или уровень. В составе минералов различают следующие типы воды:

1) конституционная, которая входит в состав кристаллической решётки минералов в виде разобщенных ионов Н и ОН. Выделить её возможно в результате гидролиза - полного химического разложения минералов;

2) кристаллизационная, которая, в отличие от конституционной, освобождается в результате простого нагревания минералов. Происходит дегидратация, приводящая также к разрушению минерала и превращению его в новый, безводный минерал. Например, нагревание гипса приводит к превращению егов ангидрит;

3) гидратная вода, которая располагается в свободном пространстве кристаллической решётки минерала, её выделение приводит не к разрушению минерала, а только к изменению некоторых физических свойств, не нарушая его структуры.

Образуются подземные воды в разных условиях разными способами. Различают четыре главных способа и соответственно четыре главных их типа:

1. Вадозные или инфильтрационные воды образуются в результате длительного просачивания атмосферных осадков, а также речных или озёрных вод сквозь толщу проницаемых горных пород и их накопления на водоупорных горизонтах.

2. Конденсационные воды распространены в пустынях и полупустынях.

Источником воды для них является водяной пар атмосферы, который конденсируется на поверхности Земли в результате суточных колебаний температуры, затем просачивается уже жидкая вода до водоупорного горизонта, образуя небольшие залежи. Примерами могут служить оазисы в пустынях.

3. Реликтовые или остаточные воды являются результатом захоронения поверхностных вод накапливающимися в них обломочными осадками. Чаще всего это бывают занесённые эоловыми отложениями озёра, болота или старицы рек.

4. Ювенильные или девственные воды являются продуктом остывающей в земных недрах магмы, выделяющей большое количество водяных паров, которые по мере продвижения к поверхности остывают и конденсируются в трещинах и пустотах горных пород.

5. Смешанные воды образуются в результате смешивания подземных вод разного происхождения. Например, при смешивании в пластах горных пород вадозных и конденсационных вод образуются смешанные вадозно-конденсационные воды, при смешивании вадозных и реликтовых образуются вадозно-реликтовые и т. д.

Залегают подземные воды на разных уровнях от поверхности Земли и по этому признаку различают почвенные воды, верховодку и грунтовые воды. Почвенные воды заполняют пустоты в почвах, залегают непосредственно на поверхности Земли или вблизи неё, подвергаясь воздействию климатических особенностей. Верховодка залегает несколько глубже, но также близко от поверхности, в зоне аэрации (зоне свободного проникновения воздуха), питается она за счёт атмосферных осадков. Грунтовые воды залегают ниже зоны аэрации, заполняя поры, трещины и пустоты в горных породах. Пласты или слои горных пород, насыщенные водой, называются водоносными горизонтами. Если водоносный горизонт располагается между двумя водоупорными горизонтами, такие воды называют межпластовыми, а трещинные воды заполняют трещины в трещиноватых породах.

В зависимости от температуры подземных вод среди них выделяют:

- обычные воды - с температурой, соответствующей среднегодовой температуре воздуха области, такие воды называют ещё изотермическими.

- горячие воды имеют температуру, превышающую среднегодовую температуру воздуха, часто она бывает выше 20?С, такие воды называют термальными.

- холодные воды с температурой ниже среднегодовой температуры в этом районе называются также гипотермическими.

По химическому составу среди вод выделяют четыре типа:

1. Пресные воды - с содержанием растворённых солей менее 1 г/л.

2. Солоноватые воды содержат от 1 до 10 г/л растворённых солей.

3. Солёные воды - с содержанием растворённых солей от 10 до 50 г/л.

4. Рассолы или рапа - с содержанием более 50 г/л растворённых солей.

На нефтяных и газовых месторождениях нефть и газ залегают совместно с подземными водами. При этом самое высокое положение в едином разрезе занимает газ. Ниже газа располагается нефть, а вода занимает самое низкое положение. Соответственно пласты называются газонасыщенными, нефтенасы щенными или водонасыщенными (или газоносными, нефтеносными и водоносными). В связи со способностью к естественной сепарации газ и нефть скапливаются в ловушках - структурных и неструктурных. Структурные представляют собой выгнутые изгибы слоёв, т. е. положительные структуры; неструктурные связаны с трещиноватыми и кавернозными карбонатными породами рифогенной формации. Выделяется пять типов подземных вод на нефтяных и газовых месторождениях:

1. Нижняя краевая или контурная вода, которая залегает в пониженных частях пласта, подпирая вышерасположенную нефтегазовую залежь.

2. Подошвенная вода залегает в нижней, подошвенной части нефтегазового пласта в пределах всей структуры.

3. Промежуточная вода приурочена к водоносным пластам, находящимся между двумя или несколькими нефтегазовыми пластами.

4. Верхняя вода образует самостоятельный пласт, залегающий выше нефтегазового пласта.

5. Нижняя вода также образует самостоятельный пласт, залегающий ниже нефтегазового пласта.

Оползни являются образованиями, непосредственно связанными с деятельностью подземных вод. Оползень является естественным перемещением массивов горных пород под влиянием силы тяжести. Чаще всего, смещение происходит в результате обводнения (увлажнения) горных пород на склонах речных долин и их соскальзывания по пластичным (увлажненным глинам) породам, залегающим ниже по склону. Поверхность, по которой происходит отрыв и смещение блоков горных пород, называется поверхностью скольжения.

Перемещающиеся блоки называются оползневыми телами.

Оползневые процессы развиваются очень долго, а сам процесс "оползания" длится несколько секунд. Часто свидетельством оползней является так называемый "пьяный лес", когда в нижней части склонов или в пойме располагаются оползневые тела с разными по размерам лесными массивами (иногда одиночные деревья), в которых стволы деревьев наклонены беспорядочно, в разные стороны.

Во время учебной практики довольно крупные оползни можно наблюдать по p. Ижме - напротив г. Сосногорска, Ухте (в районе пос. Водного). Более мелкие оползни распространены весьма широко, практически по всем водотокам района практики.

Наличие или отсутствие газов и жидкостей в горных породах зависит не только от самого факта их присутствия в данном районе, но и от некоторых особенностей внутреннего строения горных пород. Для того, чтобы порода вмещала жидкость или газ, ей необходимо обладать определёнными ёмкостными свойствами, т. е. чтобы в ней было место для жидкости или газа. Кроме того, она должна ещё и пропускать через себя жидкость или газ, т. е. чтобы она обладала и фильтрационными свойствами. Эти две особенности внутреннего строения горных пород называются коллекторскими свойствами. К ним относятся пористость и проницаемость горных пород.

Пористость горных пород выражает способность пород впитывать, вмещать в себя жидкости или газы. Она определяется отношением объема всех пор в породе к общему объему породы, выраженному в процентах:

Пористость бывает первичная (диагенетическая), когда поры образуются в процессе диагенеза, и вторичной, если она образуется в уже сформированной горной породе в результате выветривания, выщелачивания, тектонических движений и проч.

Открытую пористость представляет объём только тех пор, которые связаны друг с другом, сообщаются между собой. Коэффициент открытой пористости определяется отношением суммарного объема открытых пор к общему объему горной породы. Эффективная пористость определяет поры, из которых можно извлечь нефть или газ при разработке месторождения. Она представляет собой отношение объёма пор, через которые возможно движение жидкостей или газов при определённых температурах и давлениях к общему объёму горной породы.

Пористость обломочных пород находится в зависимости от формы обломков и степени сортировки обломочного материала. Обломки, составляющие горную породу, по форме могут быть окатанными, полуокатанными или угловатыми (неокатанными). Если обломки окатаны, то при одинаковом размере обломков пористость будет максимальной, независимо от размера обломков.

Но так как в природе при любой степени сортировки зёрна всё-таки различаются по размерам, то в крупнозернистых горных породах пористость будет ниже, чем в мелкозернистых. Угловатые обломки имеют в горной породе более плотную упаковку, в связи с чем пористость у них ниже, чем у окатанных.

Более чётко пористость связана со степенью сортировки обломочного материала. Чем выше степень сортировки обломков в горной породе, тем выше пористость, так как при разных по размерам обломках более мелкие из них могут заполнять пространство между крупными, уменьшая ёмкость горной породы, т. е. её пористость.

Проницаемость характеризует способность горной породы пропускать через себя жидкости или газы. За единицу проницаемости принят дарси.

Проницаемость может быть выражена скоростью, с которой флюиды - жидкости и газы - проходят сквозь породу в направлении гидравлического градиента. Проницаемость является главной характеристикой горных пород при оценке и добыче нефти и газа.

Проницаемость горных пород определяется не только объемом пустого пространства в породе, но и формой, размерами пор и трещин, а также характером их соединения между собой. Чем крупнее поры и чем лучше они соединены между собой, тем выше проницаемость горной породы. Пористость и проницаемость находятся в очень сложной зависимости. Хорошо отсортированные пески имеют пористость 15-20%, а проницаемость их очень высока; у глин пористость достигает

50-60%, а проницаемость близка к нулю. Проницаемость нефтеносных песчаников изменяется от 0,05 до 3 дарси, трещиноватых известняков - от 0,005 до 0,02 Д. По степени проницаемости горные породы разделяют на три группы:

1) проницаемые: пески, гравий, галечники;

2) полупроницаемые: супеси, лёсс, торф;

3) непроницаемые: глины, сланцы, массивные магматические породы.

Проницаемые и полупроницаемые горные породы относятся к породам-коллекторам, а непроницаемые - к породам-водоупорам.

Изучение подземных вод на нефтяных и газовых месторождениях имеет большое теоретическое и практическое значение, так как их состав может указывать на наличие или отсутствие нефтяных залежей. В нефтегазоносных районах подземные воды характеризуются повышенным содержанием брома, йода, сероводорода, часто повышенным содержанием карбонатов.

Геологическая деятельность подземных вод заключается также в разрушении, транспортировке продуктов разрушения и отложении перемещенного материала.

Разрушительная работа осуществляется преимущественно химическим способом, в результате растворения минералов и горных пород продвигающимися по порам и трещинам подземными водами. Растворение и выщелачивание минералов с выносом элементов в растворённом состоянии и образованием полостей в горных породах называется карстовым процессом.

Растворимость повышается с повышением температуры и давления. Наиболее легко растворимыми минералами являются галит, сильвин, карналлит, гипс, ангидрит, кальцит. В результате карстовых процессов образуются наземные и подземные формы мезо- и микрорельефа. К наземным формам относятся карстовые воронки, поноры, карстовые долины. Размеры карстовых воронок в диаметре достигают сотен метров, в районе станции Карсты (Республика Коми), недалеко от г. Ухты многочисленные карстовые воронки имеют диаметр от 1-2 м до 20-30, а иногда превышают 300 м.

Подземные формы рельефа представлены макроформами - пещерами и микроформами, преимущественно натёчными, образующимися при испарении воды и осаждении минерального вещества в твёрдом состоянии. Это сталактиты, растущие сверху вниз, и сталагмиты, нарастающие снизу вверх. Соединяясь, сталактиты и сталагмиты могут образовывать столбы, занавеси и другие более причудливые формы. Ограниченность пространства перемещения подземных вод порами и трещинами уменьшает возможность переноса обломочного материала. При широко развитой системе пещер появляется и механический перенос обломочного материала, но он весьма ограничен и объемами, и расстояниями. На поверхности Земли подземные воды отлагают известковистые и кремнистые туфы, поваренную соль, минералы железа, марганца и другие минералы. Кремнистые туфы образуются при деятельности гейзеров и называются ещё гейзеритами.

При отложении минерального вещества подземными водами в пористых горных породах образуются конгломераты, брекчии, песчаники. При этом осаждающиеся из подземных вод вещества цементируют обломочный материал и превращают рыхлую горную породу в сцементированную.

Подземные воды играют огромную роль в образовании оползней и обвалов. Оползни образуются при размывании нижележащего слоя глин и насыщении его водой. Обводнённые глины играют роль смазки, по которой происходит движение пород вышележащих слоёв относительно нижележащих слоёв. В зависимости от угла наклона слоёв или крутизны склона речной долины оползни различаются по расстоянию перемещения оползневого тела или его части. Из-за обводнения некоторых участков часто происходят и обвалы. Большие оползни наблюдаются по берегам таких крупных рек России, как Волга, Дон и многие другие. Известны они и в долинах более мелких рек, в том числе в Республике Коми (рр.Ижма, Седью, Ухта).