Подземные воды

Подземные воды - воды, содержащиеся в верхней части земной коры. Заполняют промежутки, времени, трещины, пустоты. В почве заполняют капилляры. Делятся на воды зоны аэрации, грунтовые и артезианские.

1. Общая характеристика

Подземные воды расположены ниже земной поверхности и дна поверхностных водоемов и водотоков, заполняющие поры, трещины и др.. пустоты горных пород в жидком, твердом или парообразном состоянии. Образующиеся в результате инфильтрации атмосферных осадков и поверхностных вод, конденсации водяного пара, магматических процессов и метаморфизма подобное.

Слои горных пород, насыщенные гравитационной водой, образуют водоносные горизонты, или пласты, которые составляют водоносные комплексы, горные породы которых характеризуются разными степенями влагоемкости, водопроницаемости и водоотдачи. Первый от поверхности Земли постоянно существующий безнапорный водоносный горизонт называется горизонтом грунтовых вод. Непосредственно над его поверхностью (зеркалом грунтовых вод) распространены капиллярные воды, которые могут быть взвешенными, т.е. не связанными с зеркалом грунтовых вод. Все пространство от поверхности Земли до зеркала грунтовых вод называется зоной аэрации, в которой проходит утечки вод с поверхности. В зоне аэрации на отдельных разделенных слоях пород, которые характеризуются меньшей фильтрационной способностью, в период питания грунтовых вод могут образовываться временные или сезонные, скопления П.В., которые называется верховодкой. Водоносные горизонты, залегающие ниже грунтовых вод и отделяются от них пластами водонепроницаемых (водоупорных) или слабопроницаемым пород, называются горизонтами межпластовых вод. Они обычно находятся под гидростатическим давлением ( артезианские воды), реже имеют свободную поверхность - безнапорные воды.

Подземные воды являются источником водоснабжения (иногда их используют для орошения), минеральные воды - для лечения. По характеру использования П.В. подразделялись на 4 вида: питьевые и технические, которые применяются для хозяйственно-питьевого и производственно-технического водо-снабжения, орошения земель и обводнения пастбищ; лечебные минеральные воды, которые используются с бальнеологической целью и ста-ловле напитки; теплоэнергетические (включая пароводяные смеси ) - для теплоснабжения промышленных, сельскохозяйственных и общественных объектов, а в отдельных случаях - и для выработки электроэнергии, промышленные воды - для извлечения из них ценных компонентов. В ряде случаев П.В. одновременно являются минеральными и теплоэнергетическими, промышленными и теплоэнергетическими, в связи с чем они рассматриваются как комплексная полезное ископаемое. Месторождения пресных и солоноватых вод, используемых для хозяйственно-питьевого водоснабжения и орошения, подразделяются на основные типы: месторождения речных долин, артезианских бассейнов, конусов выноса предгорных шлейфов и межгорных впадин, ограниченных по площади структур или массивов трещинных и трещинно-карстовых пород, тектонических нарушений. песчаных массивов, пустынь и полупустынь, надморенних и мижморенних водольодовикових отложений, областей развития вечномерзлых пород. См.. также карстовые воды, грунтовые воды, минеральные воды, артезианские воды.

2. Теории происхождения подземных вод

• Инфильтрационная теория - выдвинутая французскими учеными Б. Палисси и Э. Мариотт в 16 в. Объясняла образования подземных вод утечкой в породы атмосферных осадков.
• Конденсационная теория - выдвинутая немецким гидрологом А. Фогелем в 1887 году. За ней подземные воды образуются путем проникновения в горные породы воздуха и последующей конденсацией из него водяного пара.
• Ювениальна теория - предложенная австрийским геологом Э. Зюссом начале ХХ в. Согласно теории подземные воды образовались из водяного пара и газообразных продуктов, выделяющихся из расплавленной магмы в глубоких недрах земли; поступая в высшие слои земной коры, они конденсируются и дают начало ювениальним водам.
• Теория реликтового происхождения подземных вод - по ней подземные воды глубоких зон представляют собой остаточные воды древних бассейнов, захоронены в отложениях, образовавшихся в этих бассейнах.

2.1. ВЕК ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Возраст подземных вод - среднее время нахождения подземных вод в земных недрах, начиная от попадания в водоносный горизонт и заканчивая выходом на поверхность. В разных зонах водообмена понятие возраста меняется, а в очагах разгрузки довольно быстро могут относительно древние воды.

Существуют три основных метода определения В.п.в.:

• 1) гидродинамический;
• 2) инертных газов, растворенных в подземных водах;
• 3) радиогенных (с коротким периодом жизни) изотопов.

Гидродинамический метод базируется на расчете современных скоростей движения подземных вод. Метод инертных газов применяется для определения возраста относительно древних вод, время нахождения которых под землей насчитывает, как правило, миллионы лет. Метод радиогенных изотопов использует короткоживущие изотопы (3Н, 14С, 32Si, 36Cl, 10Be), которые непрерывно образуются в верхних слоях атмосферы. Срок их жизни - от нескольких до миллионов лет, поэтому они могут использоваться в качестве индикатора возраста сравнительно молодых подземных вод. Если за время, равное 4-5 периодам полураспада радиогенного изотопа, в водоносный горизонт поступали "свежие" инфильтрационные воды, то их возраст точно определяется по количеству такого изотопа. Чаще для этого используют тритий и радиоуглерод.

3. Классификации подземных вод

Шепот - подземный источник водоснабжения

На сегодня не существует единой комплексной классификации подземных вод. Существуют отдельные классификации подземных вод за: условиями залегания, химическому составу, температуре, солености, использованием, загрязненностью, защищенностью, степенью изученности, и др..

По источникам поступления в водоносные горизонты и комплексы:

• метеогенни (поступающие из атмосферы, включают инфильтрационные, инфлюацийни и конденсационные воды);
• литогенные (формируются в литосфере и делятся на седиментогенни, возрожденные, вновь, конденсационные, солюцийни)
• ювенильные или эндогенные (те, которые впервые попали в литосферу из мантии).

Инфильтрационные воды образуются благодаря просачиванию с поверхности Земли дождевых, талых и речных вод. По составу они преимущественно гидрокарбонатно-кальциевые и магниевые. При выщелачивании гипсовых пород формируются сульфатно-кальциевые, а при растворении соленосных - хлоридно-натриевые воды. Конденсационные П.В. образуются в результате конденсации водяных паров в порах или трещинах пород. Седиментационная воды формируются в процессе геологических осадоутворень и обычно представляют собой измененные захороненные воды морского происхождения (хлоридно-натриевые, хлоридно-кальциево-натриевые и др.). К ним также относятся похоронены рассолы солерудних бассейнов, а также ультрапресные воды песчаных линз в моренных отложениях. Воды, образующиеся из магмы при ее кристаллизации и при метаморфизме горных пород, называются магматогенных или ювенильными водами.

По месту расположения:

• поровых (в песках, галечниках и других обломочных породах);
• трещинные (в скальных породах);
• карстовые (в растворимых породах - известняках, доломитах, гипсах т.д.).

Среди подземных вод различают уклейку, грунтовые воды и межпластовые (безнапорные и артезианские воды) по степени минерализации - пресные и минеральные воды.

По степени минерализации (по В. И. Вернадским) на:

• пресные (до 1 г / л);
• солоноватые (от 1 до 10 г / л);
• соленые (от 10 до 50 г / л);
• подземные рассолы (более 50 г / л).

За температурой ^в С:

• переохлажденные (ниже 0);
• холодные (от 0 до 20);
• теплые (от 20 до 37);
• горячие (от 37 до 50);
• очень горячие (от 50 до 100);
• перегретые (свыше 100).

П.в. - Полезное ископаемое, запасы которой, в отличие от других видов к.к., воспроизводимые. В областях существования П.В. т-ра колеблется от -93 до 1200 С, давление от дек. до 3000 МПа. П.в. - Природные растворы, содержащие более 60 хим. элементов (чаще всего - K, Na, Ca, Mg, Fe, Cl, S, C, Si, N, O, Н), а также микроорганизмы. Как правило, П.В. насыщенные газами (СО _2, О _2, N ₂ и др.).. П.в., которые перемещаются в водоносном пласте, тектонической или карстовой зоне с большой скоростью фильтрации называют подземным потоком. Перемещение П.В. под действием гидравлического напора или гравитационных сил называют подземным стоком. Чаще всего такой сток направлен в сторону моря, русла реки и тому подобное.

3.1. Типы и классы подземных вод (за Зайцевым)

В 1961 г. Зайцев разработал класси-ю подземных. вод по характеру их скоплений, которая позволяет учитывать особлти распределения, залегания и динамики подземных. вод, степень литификации пород, характер их скважности. В классификации 3 типа вод:

1. Пласт (индекс типа П. Классы: 1 поровых, 2 трещинно-поровых, 3 порово-трещинные, 4 трещинные, 5 трещинно-карстовые) - обычно развиты в осадочных породах.

2. Трещинные-жильные (индекс типа Т. Классы: 6 регионально-трещинные воды зон выветривания, 7 рег.-трещинные воды зон тектонической и литогенетичнои трещиноватости, 8 карстово-жильные, 9 локально трещинные воды зон тектонических нарушений (их Зайц. Разделил на 3 отделы: воды тектонических разломов; в. интрузивных контактов; в. жильных образований)) - в метаморфических и интрузивных породах.

3. Лавовые (индекс типа Л. Классы: 10 верхньолавови, 11 мижлавови, 12 внутришньолавови) - в эффузивных породах.

П1 относят к несцементированных песчаных и других отложений. глиб.заляг. от нескольких метров до 3км (п-в Апшерон) от кайнозоя к верхн.протерозою. Расп. в четвертичных отложениях - аллювиальных, ледниковых, морских. Эти воды через источники и скважины дают до 10-100 и> л / с.

Между П2 и П3 нет четких границ. Возраст - палеозой Русская платформа; мезозой - Западно-Сибирская плита, палеоген, неоген - в Передкавкази, на Копетдаге.

П4 генетически связаны с регионально-трищиннимы водами Т7.

П5 - в карбонатных и тиригенно-карбонатных. В палеозойских отложениях - Рус. и Сибирская платформы. В мезозое и немного в кайнозое - на Скифский плите. Есть они в межгорных впадинах, на водоразделах и склонах Крымских, Кавказских и др.. горно-складчатых обл.

Т8 - заляг. в карбонатных и тиригенно-карбонатных перекристаллизованного и сильно дислоцийованих породах; расп. для Крыму, Кавказу, Тянь-Шань, Саян и др.., претерпевшие складкообразования.

Обводненность пород с водами П5 и Т8 велика (до сотен л / с).

Другие отделы класса Т9 составляют воды интрузивных контактов и жильных образований; распространены в складчатых обл. [2; c.14-20]

4. Физические свойства подземных вод

Подземные воды являются растворами, содержащими соли, ионы, коллоиды и газы. До основных физических свойств, которые анализируют при исследовании подземных вод, относятся: цвет, запах, вкус, прозрачность, температуру, плотность, сжимаемость, вязкость, радиоактивность, электропроводность.

• Цвет подземных вод зависит от их химического состава и механических примесей. В основном подземные воды бесцветные. Желтоватый цвет характерен для вод болотного происхождения, содержащих гуминовые вещества. Сероводородные воды в результате окисления сероводорода и образование тонкой коллоидной "мути", составленной из частиц серы, имеют зеленоватый оттенок. Цвет воды оценивается по стандартной платино-кобальтовой шкале в градусах.
• Запах в подземных водах в основном отсутствует. Ощущение запаха свидетельствует либо о наличии газам биохимического происхождения (сероводород и др.). Или о присутствии гниющих органических веществ. Характер запаха выражают описательно: без запаха, сероводородный, болотный, плесени и др.. Интенсивность запаха оценивают по десятибалльной шкале.
• Вкус воды зависит от состава растворенных веществ, соленый вкус обусловлен хлористим натрієм, гіркий - сульфатом магнію, іржавий - солями заліза. Солодкуватий смак мають води багаті органічними речовинами. Наявність вільної вуглекислоти придає воді приємного освіжаючого смаку. Смак води оцінюється за таблицями в балах.
• Прозорість підземних вод залежить від кількості розчинених в ній мінеральних речовин, вмісту механічних домішок, органічних речовин і колоїдів. Для вказання ступеня прозорості служить наступна номенклатура : прозора, слабоопалесціююча, опалесціююча, злегка каламутна, сильно каламутна. Каламутність оцінюють в міліграмах сухої речовини на літр води.
• Температура підземних вод залежить від геотермальних особливостей району. Вона відображає вікові, тектонічні, літологічні і гідродинамічні особливості водних горизонтів. Температура води впливає на її хімічний склад, в'язкість та коефіцієнт фільтрації. В природніх умовах підземні води можуть бути переохолоджені (нижче 0 C, поширені в районах багаторічної мерзлоти), холодні (нижче 20 C, приурочені до верхньої зони земної кори, до поясу постійних річних температур в середніх широтах), термальні (які мають температуру 20-100С, виявлені буровими свердловинами на різних глибинах), перегріті (температурою 100-375С, зустрічаються в районах сучасної вулканічної діяльності).
• Щільність води визначають співвідношенням її маси до об'єму при певній температурі. За одиницю щільності прийнято щільність дистильованої води при температурі 4 C. Показник щільності залежить від температури, кількості розчинених солей, газів і завислих часток, і змінюється від 1 до 1,4 г/см.
• Стискуваність це характеристика, яка показує зміну об'єму рідини під дією тиску. Для води стискуваність незначна і характеризується коофіцієнтом стиснення β=(2,7-5)10-5 Па.
• В'язкість води характеризує внутрішній опір частинок рідини її руху, і кількісно виражається коофіцієнтами динамічної і кінематичної в'язкості. Б. А. Дерягін вивів існування аномалії води в тонких капілярах діаметром менше 0,001 мм. В ній на всьому інтервалі температур коофіцієнт тертя (залежить від в'язкості) залишається постійним, а щільність на 40 % більша звичайної.
• Радіоактивність підземних вод визначають вмістом в ній радону, еманації радію. За рідкісними вийнятками усі підземні води в тій чи іншій мірі радіоактивні.за кількістю еманації радію Е. С. Бурксер виділяє такі типи вод: дуже сильно радіоактивні (радіоактивність більше 10000 еманів); сильно радіоактивні (1000 - 10000 еман); радіоактивні (100 - 1000 еман); слабо радіоактивні (10 - 100) дуже малорадіоактивні (менше 10 еман).
• Електропровідність залежить від кількості солей, розчинених у підземних водах. Прісні води володіють незначною електропровідністю, дистильовані - своєрідні ізолятори. Електропровідність води оцінюють за питомим електричним опором, вона змінюється від 0,02 до 1,0 Омм.

5. Хімічні властивості підземних вод

• Сульфатність підземних вод характеристика вмісту у підземній воді сульфат-йона SO ₄ ^2-. Як показник сульфатності використовують відношення SO ₄ /Cl або SO ₄ /(Cl + SO ₄). Підвищені показники SO ₄ ^2- є пошуковими критеріями сульфідних родовищ, що окиснюються, а знижені позитивним показником нафтогазоносності.

6. Мікрофлора підземних вод

Мікроорганізми, що мешкають в підземних водах дуже активні, адаптивні до різних ступенів мінералізації, температури, тиску. Вони беруть участь в розкладі і синтезі різних органічних і мінеральних сполук, здатні впливати на зміну сольового і газового складу природних вод, їх мінералізацію. Проникнення бактерій в глибину лімітує висока температура (вище 95-100С) і мінералізація (130-270 г/кг - так звані "міцні розчини"). Бактерії та мікроби проникають в пори породи і перебувають там в капілярній воді, вкривають стінки пустот.

Дисульфіюючі бактерії, окислюючі речовини, в тому числі нафтові вуглеводи відновлюють сульфати до сірководню. Денітрофікуючі бактерії, окислюючи органічні речовини відновлюють нітрати до нітритів і молекулярного азоту. До них належать бактерії, що зброджують кислоти і здійснюють розклад вуглеводів з утворенням органічних кислот, вуглекислого газу і води, бактерії, що розкладають нафтенові кислоти та інші органічні речовини; тіонові бактерії, що розвиваються при значенні pH біля 7, окислюють сірку та сірковмісні сполуки до сірчаної кислоти; бактерії, що окислюють вуглеводи парафінового ряду; метанокислюючі бактерії, нітрифікуючі бактерії і ін.

У розрізі літосфери виділяють 4 зони, 3 верхні заселені мікроорганізмами, 4-та - безжиттєва. Перша належить до грунтових утворень. Простягається до глибини 3-ох метрів, де проходить розклад органічних речовин. Нижче знаходиться зона аерації (глибиною до кількох сотень метрів), заселена анаеробами.

Для оцінки органічного забруднення води користуються колітитром. Під ним розуміють об'єм води, в якому міститься одна кишнова паличка. Залежно від вмісту кишкової палички води класифікують наступним чином: здорова (100 мл на 1 кишкову паличку); досить здорова (10 мл); сумнівна (1 мл); нездорова (0,1); зовсім нездорова (0,01 мл).

7. Підземні води як корисні копалини

Підземні води корисні як самі по собі, так і завдяки тому, що вони є сировиною для видобутку ряду речовин. Прісні підземні води використовуються для питних, промислових і сільськогосподарських потреб. В нафтовій промисловості підземні води використовуються при обводненні нафтових родовищ.

8. РІВЕНЬ ПІДЗЕМНИХ ВОД

РІВЕНЬ ПІДЗЕМНИХ ВОД (рус. уровень подземных вод , англ. underground water level , нем. unterirdisches Wasserstand m ) перевищення вільної чи п'єзометричної поверхні вод у даній точці (у даній ділянці масиву гірських порід) по відношенню до будь-якої площини порівняння (напр., по відношенню до рівня моря).

9. Режим підземних вод

Режим підземних вод (рус. режим подземных вод , англ. underground water conditions , нем. Bodenwasserverhltnisse n pl ) зміна в часі динамічних, геохімічних, температурних та ін. якісних і кількісних показників підземних вод (рівнів, напору, витрат, хімічного і газового стану, температури і т.д.).

10. Підземні води України

На начало 2010 року в України розвідано 450 родовищ питних і технічних підземних вод, 209 родовищ мінеральних вод, 1 родовище теплоенергетичних підземних вод і 1 родовище промислових підземних вод. За 2009 року розвідано і поставлено на державний баланс 20 ділянок родовищ питних і технічних підземних вод із запасами промислових категорій 31,9 тис. м/добу і 4 ділянки родовищ мінеральних підземних вод із запасами промислових категорій 505,5 м/добу. ^[1]

10.1. Питні та технічні підземні води

Загальні прогнозні ресурси підземних вод в Україні складають 61 689,2 тис. м/добу, з яких 57 499,9 тис. м/добу з мінералізацією до 1,5 г/дм. Забезпеченість прогнозними ресурсами питних підземних вод населення України по регіонах знаходиться в межах 0,3 - 5,5 тис. м/добу, а в середньому - 1,3 тис. м/добу на одну особу. ^[1] Підземні води розподілені по регіонах нерівномірно, що зумовлено відмінністю геології та фізико-географічних умов різних регіонів. Переважна частина прогнозних ресурсів зосереджена у північних та західних областях України, ресурси південного регіону обмежені.

Середньорічний обсяг видобутку питних і технічних підземних вод в Україні у 2009 році становив 5 486,52 тис. м/добу, що на 761,34 тис. менше, ніж у 2008 році. ^[1] Видобуток з розвіданих родовищ складав 2 309,60 тис. м/добу, що на 300,19 тис. менше, ніж у 2008 році. ^[1]

10.2. Мінеральні підземні води

По состоянию на 1 января 2010 года в Украине разведано и подготовлено к промышленному использованию 281 участок месторождений минеральных подземных вод, которые сосредоточены на 209 месторождениях. Эксплуатационные запасы разведанных месторождений составляют 86 717,5 м / сутки по категориям А + В + С1 и 1 394,0 м / сутки - по категории С2. ^[1] Из общего количества разведанных месторождений минеральных вод эксплуатируется 173 участок (т.е. 82% запасов). Минеральные лечебные и лечебно-столовые подземные воды разведаны на 151 месторождении (218 участков) с общим количеством запасов 71,3 тыс. м / сутки, из которых 134 участка разрабатываются. Природные столовые воды разведаны на 58 месторождениях (63 участка) с общим объемом запасов 16,8 тыс. м / сутки, из них разрабатывается 39 участков. На некоторых участках месторождений разведаны минеральные воды двух типов в различных водоносных горизонтах, что увеличивает общее количество объектов учета водопользования до 297.

Добыча подземных минеральных вод в Украине в 2009 году составил:

• лечебных и лечебно-столовых 4 855,4 м / сутки,
• природных столовых вод - 3 401,6 м / сутки (вместе технологическими сбросами).

Использование подземных минеральных вод в Украине в 2009 году составил:

• лечебных и лечебно-столовых - 3 772,8 м / сутки, или около 5,4% от величины утвержденных запасов,
• природных столовых - 2 068,5 м3/сутки, или 12,3% от числа утвержденных запасов. ^[1]

С 218 участков всех типов минеральных лечебных и лечебно-столовых подземных вод 111 (50,9% от общего количества утвержденных запасов) относится к минеральных подземных вод без специфических компонентов и свойств от маломинерализованных к рассолов с минерализацией от 1 до 35 г / дм . Разведанные и утвержденные такие месторождения в 19 административных областях Украины.

10.3. Специфические подземные воды

По своим лечебным свойствам наибольшую ценность имеют воды со специфическими компонентами и свойствами. В Украине отнесены к таким уникальных минеральных подземных вод 12 месторождений. ^[2] По состоянию на 1 января 2010 законсервированные Зайчиковское месторождение минеральных вод с повышенной концентрацией органических веществ ( Хмельницкая область), Келечинское месторождение углекислых железистых вод и уникальное Тисенське месторождение углекислых йодо-бромных вод ( Закарпатская область). ^[1]

10.4. Теплоэнергетические подземные воды

В Украине такие нетрадиционные источники энергии, как теплоэнергетические воды разведаны в Закарпатском артезианского бассейна. В большинстве случаев теплоэнергетические воды помещают в растворимом виде повышенное количество микроэлементов, таких как бром, бор, йод, что делает их ценным бальнеологической и промышленным сырьем, а также источником для получения тепловой энергии. Подробно разведано Береговское месторождение теплоэнергетических вод ( Закарпатье) с запасами воды в 0,871 тыс. м / сутки. Месторождение эксплуатируется с 1973 года для наполнения бассейна. ^[1]

10.5. Промышленные подземные воды

В Украине детально разведано единственное Северо-Сивашское месторождение промышленных йодных вод на территории Генического района Херсонской области возле села Счастливцево в пределах мелководной лагуны Сиваш Азовского моря, в северной части Арабатской стрелки. Восточная часть месторождения находится под водами Азовского моря. ^[1]

См.. также

Примечания

Литература

• Малая горная энциклопедия. В 3-х т. / Под ред. С. Белецкого. - М.: "Донбасс", 2004. - ISBN 966-7804-14-3.
• (Рус.) Кирюхин В.А., Толстихин Н. И. Региональная гидрогеологию. - М.: Недра, 1987. - 382с.
• (Рус.) Cточные воды и методы их очистки - aqua-life.com.ua/news/n1_stochnie_vodi_metodi_ochistki.html.