Тема 3. П і д з е м н і в о д и Походження підземних вод.

Підземні води – це води, які перебувають у товщі земної кори в різних фізичних станах. Відомо, що вода після випаровування з поверхні океану потрапляє на сушу і утворює в межах суші 2 типи стоку: поверхневий (2/3 об’єму води) і підземний (1/3). Підземний стік утворює вода, яка просочується у верхні шари земної кори.

Походження підземних вод стало цікавити людей з першого дня використання такої води. На даний момент у гідрології розглядаються 4 давні і 4 „сучасні” гіпотези походження підземних вод.

Давні гіпотези:

Перші дві „теорії” походження ґрунтових вод мали чисто фантастичний характер.

1. – Так, у багатьох народів існувало твердження, що Земля сама народжує воду і що в надрах Землі існують особливі невичерпні джерела, звідки вода виходить на поверхню.

2. - Існувала думка, що вода океанів проникає в ґрунт материків і утворює ґрунтову воду. Такої думки дотримувався відомий вчений Платон (ІV-ІІІ ст. до н. е.). Слід відзначити, що ця гіпотеза мала багато прихильників і користувалась визнанням у науці до початку ХVІІІ ст.

Поряд з фантастичними гіпотезами в давнину існували й пояснення, які були близькими до істини.

3. – Так, на думку Арістотеля (ІV ст. до н. е.) дощові і снігові води частково випаровуються, а частково поглинаються гірськими породами та утворюють джерела.

4. – Ще ближчим до істини був римський вчений Марк Вітрувій Поллін, який говорив, що ґрунтові води скрізь на Землі утворюються з атмосферних опадів.

Сучасні гіпотези:

1. – Інфільтраційна – її висунув і обґрунтував наприкінці ХVІІ ст. (1686) фр. фізик Маріотт. Згідно цієї гіпотези підземні води утворилися внаслідок інфільтрації (просочування) в ґрунт атмосферних опадів та інших поверхневих вод. Інфільтраційні води особливо поширені у верхніх горизонтах земної кори, де відбувається інтенсивний водообмін. До цього типу належать прісні підземні води, які використовуються для водопостачання.

Гіпотеза Маріотта була підтримана багатьма вченими, у тому числі М.В. Ломоносовим, а також певний час австрійским вченим Е.Зюссом, який називав інфільтраційні води „вадозними”. Вона й зараз є панівною, але не єдиною.

Слід відзначити також, що за умови коли просочування атмосферних опадів відбувається через великі тріщини у кристалічних та карстових породах, то такий процес називають інфлюацією, а води, що при цьому утворюються інфлюаційними.

2. – Седиментаційна (гр.- осідаю) – підземні води утворюються в процесі осідання відкладів на дно водойм. Так, вологість морського мулу в придонних шарах досягає 80%. Варто відзначити, що цей процес проходить дуже повільно. До того ж, при ущільненні морських відкладів, вони втрачають значну кількість води.

Седиментаційні води є різновидом досить значних за об’ємом похованих вод, які утворились за рахунок перекривання водних товщ давніх морів осадовими породами.

3. – Конденсаційна (лат. - згущення) – основоположником цієї гіпотези у 1877 році був нім. гідролог Фольгер, а доповнив її рос. вчений О.Ф. Лєбєдєв, який проводячи досліди з 1907 по 1917 рік, встановив, що існує певна водна рівновага між атмосферою та земною корою. Лєбєдєв стверджував, що підземні води формуються внаслідок конденсації водяної пари атмосфери безпосередньо в ґрунтах, можуть переходити з одного шару ґрунту в інший або повертатися назад в атмосферу.

Не дивлячись на те, що конденсаційні води мають обмежене значення, в окремих випадках, наприклад у пустелях, вони відіграють основну роль.

4. – Магматична (ювенільна – лат. юна) (основоположник Е. Зюсс – 1902 р.) – утворення підземних вод пов’язане з виділенням водяної пари з остигаючої магми. Це головним чином мінеральні і термальні джерела. Питання про природу магматичних вод до сих пір є дискусійним, оскільки під час руху до поверхні магма може поглинати воду різного генезису.

За підрахунками М.І. Львовича і Ф.О. Макаренка (1966) підземні води в 37 разів перевищують об’єм всіх озер, річок і боліт світу. Їх дослідження свідчать про те, що у верхній (п’ятикілометровій) товщі земної кори зосереджено близько 60 млн км³, або 4.12% всього об’єму гідросфери.

Види води в гірських породах. Класифікація підземних вод за умовами залягання: верховодка, ґрунтові, міжпластові води.

Вода зустрічається в земній корі у твердому, рідкому і газоподібному станах. У вигляді льоду вона перебуває в при поверхневих шарах тих районів планети, де середньорічні tº нижчі за 0º. В основному вода міститься в надрах землі в рідкому стані.

Розрізняють кілька видів води в ґрунтах і гірських породах:

Кристалізаційна (хімічно зв’язана) – входить до складу кристалічних решіток мінералів (гіпс – 20.3%; лімоніт – 55%; мірабіліт – 55%).

Гігроскопічна (увібрана) – охоплює дуже тонкою плівкою поверхню зерен мінералів, гірських порід, структурних агрегатів ґрунту. Утворюється шляхом осідання водяних парів з повітря і випаровується тільки при сильному нагрівання породи. Ця вода не доступна для рослин !!! Вона може переміщуватися лише при переході в пару. Породи, які вміщують гігроскопічну воду здаються сухими (рис. 2).

Плівкова – утворює на поверхні зерен мінералів товстіший шар ніж попередня (рис 2). Вода в цьому шарі може переміщуватися під впливом молекулярних сил. Вона також важкодоступна для рослин!!!

Рис. 2 Види води в породах

1, 2 – частки породи з гігроскопічною водою (1 – неповна гігроскопічність, 2 – максимальна гігроскопічність); 3 – плівкова вода (стрілки показують напрям переміщення плівкової води); 4 – розміщення деяких видів води між частками породи; а – частка породи; б – плівкова вода; в – вода кутів пор; г – повітря у порах породи

Капілярна – займає тонкі пори розміром до 1 мм. Утримується в них силами поверхневого натягу, в цілому є малорухомою. Найбільш поширена в глинах, суглинках і супісках.

Гравітаційна – заповнює великі пори розміром > 1 мм. Вона вільно просочується і циркулює в тріщинах, каналах і пустотах під впливом сили тяжіння, є вільно доступною для рослин. Гравітаційну воду називають вільною водою.

Пароподібна – займає пори, вільні від води в рідкому стані. Утворюється за рахунок просочування атмосферних опадів та випаровування. Її рух відбувається в результаті теплового розширення повітря, в складі якого вона знаходиться.

За умовами залягання підземні води поділяють на води ґрунтового шару, верховодку, надпластові і міжпластові:

Води ґрунтового шару – заповнюють пори і пустоти в породах. Вони перебувають у прямій залежності від кліматичних умов місцевості (tº, опади та ін.). Ґрунтові води мають винятково важливе значення для забезпечення рослин вологою. Для них характерний зональний розподіл режиму і мінералізації в залежності від tº і від характеру ґрунтового і рослинного покриву та рельєфу:

1.- в зоні надмірного зволоження (тундра, вологі тропіки (k = 1.5)) – ґрунтові води ультрапрісні й дуже близько розташовані до поверхні;

2. – у вологих зонах (k = (1.5-1)) – лісова зона помірних широт і межа вологих тропічних лісів з саванами– грунтові води прісні, високо стоячі;

3. – в зонах помірного зволоження (k = (1-0.3)) – лісостепи, степи, савани – грунтові води слабомінералізовані й глибоко залягають.

4. – у посушливих зонах (k < 0.3) – напівпустелі – грунтові води мінералізовані і глибоко залягають.

Верховодка – тимчасове скупчення підземної води над місцевим водонепроникним горизонтом (лінза глини, моренні відклади), який має обмежене поширення. Вона утворюється в результаті просочування дощових і талих вод, стікає і випаровується. Розміщується верховодка значно вище рівня ґрунтових вод. Її рівень зазнає різких коливань, а в посушливий період вона може зникати (рис. 3).

Оскільки водоносний шар верховодки відзначається малою потужністю і вода в ньому розташовується близько від поверхні, то вона часто забруднюється, тому використовувати її для пиття не доцільно.

Рис. 3. Умови залягання верховодки в лесових суглинках півдня України

1 – рослинний шар; 2 – слабо проникні лесоподібні суглинки; 3 – водонепроникні лесоподібні суглинки (викопні грунти); 4 – водонепроникні червонобурі глини (водотрив). ГГВ – горизонт ґрунтових вод, І –зона аерації, ІІ – зона насичення

Ґрунтові (надпластові) води – відрізняються від верховодки значним поширенням і доброю вираженістю в усі сезони року. Вони широко використовуються для пиття.

Міжпластові води – розташовуються між двома водостійкими горизонтами. За характером напору ці води поділяються на безнапірні і напірні. Останні називають АРТЕЗІАНСЬКИМИ (назва походить від назви департаменту Артуа (Артезіан) у Франції, де у ХІІ ст.. вони були вперше виявлені й описані). Вони найчастіше належать до шарів, що залягають синклінально.

Структури, що охоплюють декілька горизонтів артезіанських вод називаються артезіанськими басейнами. В артезіанському басейні виділяються області живлення, напору і розвантаження. В області живлення водоносні пласти не перекриваються водотривким пластом і атмосферні опади можуть легко до них проникати. В області напору, при наявності свердловин вода піднімається і може виходити на поверхню у вигляді фонтану. В області розвантаження вода витікає на поверхню, переходить у ґрунтові води або безпосередньо живить річки, озера і болота (рис 4).

Рис. 4. схема артезіанського басейну (за О.М. Овчінніковим)

А – область живлення; Б – область напору; В – область розвантаження (стоку). 1 – водоносні породи; 2 – водотривкі породи; 3- рівень води; 4 – напрям руху води

За походженням артезіанські води бувають інфільтраційними та седиментаційними. Артезіанські басейни можуть займати величезні площі: Московський – 300 тис км², Дніпровсько-Донецький - 350 тис км², Західно-Сибірський – 3 млн. км² (НАЙБІЛЬШИЙ у світі). Великі артезіанські басейни відкриті на території Австралії і, навіть, на півночі Сахари. Артезіанські води у верхніх пластах земної кори є, як правило, прісними і дуже чистими, тому вони широко використовуються для водопостачання міст і сіл (особливо у Західній Європі).

За температурою серед підземних вод виділяють холодні і термальні.

Холодні – переохолоджені (t<0º), холодні (0- (-10º)), дуже холодні ((-10º) - (-20º)).

Термальні – теплі (+20º-+30º), гарячі (+35º-+50º), перегріті (>100º)(використовуються для опалення й тепличного господарства в Ісландії, на Камчатці та ін.).

З глибиною не тільки зростає температура артезіанських вод, але й збільшується їх мінералізація. Вони стають все більш солоними і поступово перетворюються на розсоли. Це означає, що концентрація солей в них перевищує 50 г/л. Хімічний склад підземних вод залежить від складу гірських порід, з якими вони контактують. З катіонів найчастіше зустрічаються H, Na, K, Mg, Ca, Fe, Fe, з аніонів – OH, Cl, HCO, CO, SO. Крім того, в розчиненому стані у воді містяться гази: CO, O, H, CH та ін. Від хімічного складу вод і їх температури залежить їхня розчинювальна здатність.

Найважливішими серед артезіанських вод є мінеральні (вуглекислі, сірководневі, радонові, бромисті та ін.). Вони мають бальнеологічне (лат. - купання) застосування.

Природними виходами підземних вод на поверхню є джерела (ключі, струмки). За характером виходу вод джерела поділяються на висхідні (рис.5) і низхідні (рис. 6).

Рис.5. Низхідне джерело Рис. 6. Висхідне джерело

В областях тектонічної і вулканічної активності існують періодично фонтануючі гарячі джерела ГЕЙЗЕРИ (Камчатка, США, Мексика, Нова Зеландія, Ісландія).