Опасные следствия эндогенных процессов
Основные геоэкологические следствия эндогенных процессов следующие. Во-первых, эндогенные процессы весьма масштабны и могут быть опасны для жизни в областях активных сейсмотектонических и магматических и особенно вулканических проявлений в горных странах, районах крупных сдвигов, зон субдукции и рифтогенеза. Во-вторых, предсказать эти явления весьма трудно. Катастрофические явления нельзя предсказать, небольшие изменения – можно. В-третьих, управлять эндогенными катастрофическими явлениями вулканизма, землетрясений нельзя. Они неподвластны сегодняшним техническим возможностям.
Экзогенные процессы
Экзогенные процессы происходят в приповерхностных обстановках Земли и охватывают глубины до первых километров /Бондарик и др.,2007, Короновский, Ясаманов, 2003/. Они связаны с энергетикой:
- гравитации, определяющей движение водных потоков, воздушных масс, ледников и оползней;
- эндогенных процессов (вулканизм, сейсмические дислокации, повышенные тепловые потоки).
- лунными приливами;
- Солнца;
- живого органического вещества (фауна, флора и микроорганизмы);
- законсервированного органического вещества в виде торфа, сапропеля, угля и горючих сланцев;
- залежей нефти и газа.
Экзогенные процессы включают ряд последовательных действий: разрушение горных пород (выветривание и эрозия); накопления осадков (аккумуляция или седиментация); преобразования рыхлых осадков в осадочные горные породы (диагенез или экзодиагенез); преобразования осадочных пород на больших глубинах (катагенез) (рис. 4.1).
Рис. 4.1. Соотношение экзогенных процессов.
Экзогенные процессы целесообразно рассмотреть согласно изменениям рельефа и климата (рис. 4.2).
Рис. 4.2. Представления об обстановках в гипергенезе (по Соколову и др.2002, с изменениями).
Цифрами обозначены обстановки, где преобладают процессы массообмена: 1 – механические; 2 – физико-химические; 3 – биогеохимические; 4 – техногенные. Секущая граница на разрезе – глубина проникновения кислородных вод в породы земной коры.
На водоразделах, особенно интенсивно на плоских, идет процесс выветривания (разрушения и преобразования) коренных пород. Выветривание разделяют на механическое, химическое и биохимическое. Механическое выветривание, главным образом, связано с феноменом увеличения объема замерзающей воды и соответствующего раздвигания трещин и разрушения пород. Химическое выветривание заключается в процессах окисления, растворения, выщелачивания, гидратации и образовании глинистых, гидрооксидных минералов и некоторых других минералов. Биохимическое выветривание выражается в разрушении пород живыми организмами. Особенно интенсивно происходит микробиальное выветривание.
Минеральные образования, связанные с выветриванием, называют элювием или корами выветривания. В их верхней части формируются почвы.
Вертикальные разрезы кор выветривания имеют закономерное зональное строение. Каждая зона отличается минеральным составом. Сверху вниз увеличивается количество первичных остаточных минералов (рис. 4.3).
Рис. 4.3. Зоны коры выветривания во влажных тропиках по М.А.Глазовской и А.И.Перельману.
Наиболее интенсивно выветривание происходит в тропическом климате. Здесь по породам, обогащенным алюминием, развиваются латериты. В них находят месторождения бокситов - пород, обогащенных гидроксидами алюминия и содержащими гидроксиды железа, титана и остаточный кремнезем. Кроме алюминиевых, в элювии встречаются руды Fе, Р, Au, редких элементов, залежи каолина и других полезных ископаемых. Латериты постепенно сменяются аллитами - глинистыми породами, содержащими каолинит и гидроксиды железа и алюминия. Ниже преобладают сиаллиты, сложенными преимущественно глинистыми породами, состоящими из гидрослюды.
Интенсивность выветривания во многом определяется климатом. Существует несколько типов климата:
1. гумидный – среднегодовая температура положительная, масса осадков, выпадающих на землю, превышает испаряющееся их количество; выделяется два типа гумидного климата: умеренный гумидный (тайга, лесостепи) и жаркий гумидный (зона тропических лесов).
2. нивальный или ледовый, где большую часть года вода находится в связанном состоянии и среднегодовая температура отрицательная, занимает Арктические и Антарктические районы, горных оледенений (ледовые шапки) и тундруа.
3. аридный климат – испарение резко преобладает над выпадающей влагой, высокая положительная среднегодовая температура; различают экстрааридный климат центральных частей крупных пустынь, например, Сахары и семиаридный (полуаридный) климат саванн и степей.
4. прибрежно-морской;
5. вулканогенный климат.
Климатическая зональность бывает широтная и высотная. В зависимости от климата получаются разные по составу коры выветривания (рис. 4.4).
Рис. 4.4. Схема образования коры выветривания на тектонических неактивных площадях (по Страхову, 1963).
1 — свежая порода, 2 — зона дресвы, химически мало измененной, 3 — гидрослюдисто-монтмориллонитово-бейделлитовая зона, 4 — каолиновая зона, 5 — охры, окислы алюминия, 6 — панцирь, окислы железа и алюминия.
Климат во многом определяет региональный ландшафт и количество биомассы (табл. 4.1).
Таблица 4.1
Количественные характеристики основных типов ландшафтов
(Исаченко,1978, Ландшафтная карта..,1996, Родин, Базилевич,1965, Недра России, т.2,2003)
| Тип ландшафта | Радиаци-онный баланс, МДж/(м2´год) | Сумма активных Т, 0С | Годовая сумма осадков, мм | Коэф-фи-циент увлажне-ния | Годо-вой слой стока, мм | Запасы био-массы, т/год | Биоло-ги- ческая продук- тивность, т/год | Годовое потребле-ние зольных элементов и азота, т/год |
| Арктический | 250-600 | < 0 | 150-300 | 2,0–4,0 | 100-200 | 5,0 | < 1–2 | <100 |
| Cубарктический | 600–1000 | 0–800 | 250–600 | 1,5–2,5 | 100-400 | 28,0–137,26 | 2–5 | |
| Бореальный | 900–1700 | 800–2400 | 400-1000 | 0,5-4,0 | 50-800 | (37)150-380 | 3-10 | |
| Cуббореальный гумидный | 1500-2000 | 1900-2600 | 350-900 | 0,6-2,0 | 20-250 | 160-500 | 8-20 | 340-680 |
| Cуббореальный семиаридный | 1600-2200 | 1700-3600 | 250-700 | 0,3-0,8 | 5-75 | 18,0-34,0 | ||
| Cуббореальный аридный | 1800-2100 | 3200-3600 | 200-350 | 0,1-0,3 | 2-5 | 0,1-14 (80) | 2-6 | 60-250 |
| Субтропический северный | 2100-2200 | 3600-4000 | 700-1500 | 0,7-1,8 | 200-800 | 170-450 | 16-20 | 500-1000 |
В высоких горах преобладают ледниковые образования (собственно ледники, фирн - уплотненный снег, снежники). Мощность горных ледников достигает нескольких километров. Выделяют два типа ледников. Первые дают шапки и плохо двигаются, вторые более активные. Именно активные ледники могут катастрофически спускаться по ущельям и V-образным долинам горных рек. Быстрое движение таких ледников происходит по их основанию, в котором имеется водоносный горизонт.
Такие ледники представляют реальную опасность. В высоких горах также опасны сходы снежных лавин, которые практически не предсказуемы. Для предгорных впадин страшны сели, которые представляют собой мощные грязекаменные водные потоки. Против них под определённым углом ставятся противоселевые дамбы. В предгорьях особенно в период затяжных дождей очень опасны оползни и обвалы.
В ледовом климате на равнинах формируется материковое оледенение типа Гренландского. Это оледенение представляет собой шапку мощностью до 3 км, которая захватывает территории в сотни тысяч квадратных километров. Материковые ледники при медленном движении выпахивают подстилающую поверхность и тащат с собой морену – глину, песок, разного размера обломки, включая глыбы и валуны. В долине ледника выделяют донную, передовую и боковые морены. На краю ледника, где он тает, формируются водно-ледниковые (флювиогляциональные) отложения. Они слагают песчаные бугры в сотни метров длиной и десятки метров высотой (озы, камы, друмлины). Много таких образований распространено на Европейском Севере России.
В результате деятельности флювиогляциальных потоков образовывались месторождения песчано-гравийных смесей, важных строительных материалов, широко распространенных в центральных и северных областях Европейской части России.
Если мы спустимся на равнину с гумидным климатом, то попадём в область долинных и плоско водораздельных ландшафтов. В увлажненных условиях развиваются обширные болота (ветланды). Болота бывают нескольких типов: верховые водораздельные, долинные старичные, дельтовые и марши – прибрежные болота низких плоских прибрежий, легко затопляемых приливами. В них за сотни и тысячи лет образуется торф. Это полезное ископаемое используются для подстилки скоту, отопления и в качестве удобрения. В древних ветландах формировались залежи бурых и каменных углей.
Следующий ландшафт – озёрный, в котором накапливаются лимнические (озерные) отложения. В них формируется разные типы полезных ископаемых. В гумидных условиях могут формироваться залежи торфа и гажа (карбонаты, обогащённые органическим веществом). В озерах могут накапливаться чистые глины, которые являются сырьем для производства керамических изделий и кирпичей. Есть ещё один вид озерных полезных ископаемых – сапропель. Сапропели – аналоги торфа, но в озёрах. Сапропель – это тонкозернистое насыщенное водой (60-70%), микроорганизмами, глиной, иногда фосфатами и кремнеземом органическое вещество. Вообще существует два типа органических веществ: сапропелевое в виде остатков планктона и водорослей и гумусовое - остатки высших растений.
В аридных условиях на равнинах, в озёрах и бессточных котловинах формируются залежи каменных солей, сильно солёные воды и солончаки. Соли, особенно калийные, очень полезны (пищевая соль - NaСl - галит, необходимая пищевая добавка и консервант, сильвин - KСl – важнейшие удобрения, гипс - СaSO4*2H2O - вяжущее для строительных материалов). Формирование этих солей называется галогенезом. Воздух в залежах каменных солей стерилен для всей болезнетворной микрофлоры.
В любых климатических обстановках на равнинах распространены речные долины. Из-за вихревых (турбулентных) и ламинарных (линейных) движений в водных потоках образуются два типа эрозии - донная и боковая. Эрозией называют механическое вымывание грунтов текучей водой. Из-за боковой эрозии в плане реки формируют излучины - меандры. Аллювием называются речные отложения. В целом за счёт речной деятельности происходит эрозия, выравнивание рельефа и накопление аллювиальных отложений. При этом могут формироваться россыпи алмазов, золота, платины, олова, вольфрама, алмаза и других камнесамоцветов. Среди аллювиальных россыпей выделяется много разновидностей, что показано на примере алмазных россыпей Якутии (рис. 4.5).
Рис. 4.5. Геоморфологическая схема долины р. Марха в Якутии в районе алмазных россыпей «Верхние острова» По А.Бобриевичу.
Россыпи: с 1 по 5 террас; 6 – пойменные; 7 – бечевников, береговых отмелей и валов; 8 – шлейфовык размытых террасовых останцов; 9 – намывных кос, островов и отмелей; 10 – собственно русловые.
Сами аллювиальные пески являются важным строительным материалом. Если пески чисто кварцевые, то это качественное сырье для стекольной промышленности.
В аридных зонах в предгорьях образуются полосы сближенных конусов выноса - пролювиальных отложений. Пролювий - это осадки временных потоков. В пустынных областях, где отсутствует сплошной почвенный покров, распространены мелкозернистые (частицы размером 0,1-0,05 мм и менее) глинисто-алевритистые осадки. Они слагают плащевидные тела и обусловлены плоскостным смывом, который получил название делювиального процесса.
В песчаных пустынях за счет ветровой (эоловой) деятельности формируются барханы и опасные провалами зыбунные пески.
В районах развития многолетнемерзлых грунтов (вечная мерзлота) широко распространены процессы вязкого течения грунтов (солифлюкция) и их морозного выпучивания. Опасны внезапными просадками так называемые талики – места, где отсутствуют лед. В этой связи весьма затруднительно возводить и эксплуатировать здания и сооружения, строить дороги и нефте- и газопроводы. Вместе с тем, арктические районы позволяют на длительные зимние месяцы возводить дешевые ледовые причалы, переправы через реки и зимние автодороги (зимники).
В результате процессов морозного (механического) выветривания, делювиального или эолового образуются приповерхностные мелкоземистые осадочные породы - лесс и лессовидные суглинки и супеси. Лесс это рыхлая порода, которая на 95% сложена алевритом - частицами кварца размерами 0,05 мм и на 5% - кальцитом (CaСО3). Поэтому толщи лесса исключительно легко могут оседать (просаживаться). Поэтому любое строительство на лессах весьма затруднено. Достаточно растворить кальцит или небольшой встряски, чтобы быстро нарушилась связность частиц лесса, может провалится крупный блок грунта. Лессовидные породы содержат 40-70% алеврита, остальное - глина (размер частиц менее 0,05 мм), примесь песка (частицы более 0,05мм) и карбонатов.
Лессовидные суглинки и супеси являются основой для развития почв во многих равнинных районах. С мерзлотными явлениями связывают образование покровных суглинков, охватывающих центральные и южные районы России и Украины. Распространение таких пород и развитие степных трав с развитой корневой системой обусловили развитие черноземов. Суглинки и глины - сырье для производства кирпичей и стеновых материалов.
Следующий тип ландшафтов – прибрежные зоны. В целом морская вода за счет высокой солености и концентраций ионов хлора, йода, брома обладает бактерицидными свойствами. Вообще повышенная минерализация водных растворов, ультрафиолетовое излучение и высокая температура убивают бактерии, в т. ч. болезнетворные и гнилостные.
В море происходят волновые движения, вызывающие образование и перемещение обломочного материала. Берега размываются волнами, что названо абразией. В прибрежной зоне формируются пляжи и бары. Когда вода подходит к берегу, то на определенной глубине появляется полоса забурунивания - слома ветровой нагонной волны. Эта глубина должна быть менее равняется 2/3 длины волны или 1,33 часть от ее высоты. Это зона, где приповерхностные движения захватывают дно. Из-за интерференции и отражения ветровых волн у берега формируются прибрежные течения (рис. 4.6).
Рис. 4.6. Схема формирования вдольбереговых течений. По В. Баскому.
За счет этого в прибрежной мелководной и дельтовой зоне могут формироваться проницаемые пласты песчаников и прибрежно-морские россыпи.
Подводная эпиконтинентальная «равнина» глубиной до 200 м получила название шельфа. На шельфе в основном распространены, осадочные отложения, как правило, очень мощные. Прибрежные зоны играют большую роль для добычи россыпных полезных ископаемых, а весь шельф - нефти и газа. В прибрежной зоне морей за счет волноприбойной деятельности достаточно быстро разрушаются берега (абразия). В момент катастрофических тектонических просадок океанического дна образуются гигантские волны – цунами, которые имеют разрушительные действия на прибрежных равнинах.
Помимо ветровых течений бывают приливно-отливные и океанические течения, например, Гольфстрим. В океане существуют перепады температур и плотности воды, вследствие чего возникают конвективные океанические течения. В связи с глубинными течениями, приносящими растворенный фосфор, в мелководно-морской зоне могут формироваться фосфориты – породы, обогащенные P2O5 более чем на 10%. Фосфор типичный биофильный элемент и фосфориты – ценное минеральное сырье для производства удобрений.
В глубинных океанических зонах формируются железомарганцевые конкреции, часто обогащенные Co, Ni, иногда Au. В срединно-океанических хребтах проявлен активный вулканизм. Около вулканов в семидесятых годах прошлого века обнаружили новые организмы, которые живут без фотосинтеза. В районах подводных вулканов встречены чёрные и белые "курильщики" (дыми сульфидов железа, свинца, цинка, кремнезема, сульфатов бария и кальция). Сероводород даёт возможность организмам жить: сначала хемотрофным и цианобактериям, затем червям, двустворчатым моллюскам, членистоногим и рыбам. Здесь формируются залежи колчеданных руд - сульфидов Fe, Pb, Zn, Mn, барита (BaSO4) (рис. 4.7)
Рис. 4.7. Cтроение активной гидротермальной постройки поля ТАГ Срединно-Атлантический хребет /Humphris et al.,1995, Авдонин и др., 2000/
1 – пиритовая брекчия; 2 – пирит-ангидритовая брекчия; 3 – пирит-кремнисто-ангидритовая брекчия; 4 – пирит-кремнистая брекчия; 5 – брекчия окремненных базальтов; 6 – брекчия хлоритизированных базальтов; 7 – базальты.
В целом в экзогенных условиях происходит активная миграция вещества (массообмен) (рис. 4.8). В корах выветривания формируются потоки растворенных веществ, на водоразделах образуются механические взвеси. В долинах происходит временное накопление осадков. По долинам рек и ледников вещество спускается в озерные и морские котловины, где происходит окончательное накопление.
Рис. 4.8. Схема миграции веществ в экзогенных процессах (Соколов и др.2002).
1 – коренная порода; 2 – кора выветривания; 3 – делювиальные отложения; 4 – аллювий; 5 – поступление из атмосферы; 6 – вынос из коры выветривания; 7 – накопление из подземных вод; 8 – аккумуляция веществ в водоемах.
Рассмотренные условия осадконакопления были и в древние геологические эпохи. В соответствующих отложениях формировались различные месторождения полезных ископаемых (табл.4.2).
Таблица 4.2.
Древние обстановки осадконакопления и связанные с ними месторождения полезных ископаемых (по Р.Селли,1989 с добавлениями)
| Древние отложения | Месторождения |
| Речные и пролювиальные | Нефть, уран, медь, серебро, золото, платина, алмазы, уголь |
| Эоловые | Редкие месторождения газа и нефти, строительное сырье, мелкие россыпи золота |
| Озерные и лагунные | Нефтепродуцирующие толщи, угли, торф, лигниты, битуминозные сланцы, сапропель, чистые каолиновые глины, диатомит (биогенный SiO2), сода (Na2CO3)x10H2O, трона (NaHCO3x2H2O), галит (NaCl), бишофит (MgCl2x6H2O), гипс (CaSO4x H2O), железные руды, мелкие россыпи, фосфориты, уран, редкие земли. |
| Ледниковые | Строительное сырье (песчано-гравийные смеси), флювиогляциальные пески, мелкие россыпи, в том числе погребенные |
| Дельтовые | Уголь, нефть, газ, торф, россыпи |
| Береговые песчаные бары, пересыпи и пляжи | Россыпи касситерита (SnO2), рутила (TiO2), ильменита (FeTiO3), циркона (ZrSiO4), магнетита (Fe2O3), монацита (YPO4), алмазов и янтаря; нефть и газ |
| Карбонатные бары и рифы | Нефть и газ, цементное сырье, бокситы, глауконит, желваковые фосфориты |
| Пелагические | Железо-марганцевые конкреции, оолитовые руды железа и марганца, слоистые бариты (BaSO4), металлоносные илы, зернистые фосфориты, мел, газогидрат, диатомиты, трепела и опоки (биогенный кремнезем) |
После преобразования осадков в диагенезе на дне водоемов или в экзодиагенезе на суше получается осадочная горная порода. Условия диагенеза сохраняются в пачке мощностью от метров до первых сотен метров. В случае последующего погружения осадочной породы на глубины во многие сотни и тысячи метров она преобразуется в условиях повышенных давлений и температур (катагенез). При этом порода уплотняется, изменяется состав слагающих ее минералов и поровой воды, преобразуется органическое вещество. Высвобождаются водные растворы и газы (метан, углекислый газ, сероводород, водород). Преобразование органического вещества приводит к формированию бурых и затем каменных углей и в некоторых условиях нефти и битумов.
Месторождения нефти и газа, подземных вод, часть руд меди, свинца, цинка, урана и редких металлов относятся к вторичным (эпигенетическим) образования. Нефтяные, газовые и газоконденсатные залежи локализуются в проницаемых породах (коллекторах) под экранами (флюидоупорами) в так называемых ловушках (рис. 4.9).
Рис. 4.9. Схематические вертикальные разрезы, показывающие локализацию залежей углеводородов в литологической ловушке типа рифовых известняков (А) и антиклинального типа (Б) ,
Формирование редкометально-урановых месторождений в осадочных толщах связывают с окислительно-восстановительными условиями, образующимися в нисходящих потоках подземных вод, которые двигаются в проницаемых породах, имеющих восстановители урана. Такие руды эффективно разрабатываются путем сернокислотного выщелачивания урана и сопутствующих компонентов. При этом в одну скважину закачивают кислоту, а из другой после определенной экспозиции выкачивают продуктивный раствор, ценные металлы из которого осаждают на ионно-обменных смолах.
Залежи свинцово-цинковых сульфидных руд, локализованные в карбонатных породах, рудные тела сульфидов меди, находящиеся в песчаниках, связывают с движением подземных хлоридных соленых вод.
К эпигенетическим рудам, распространенным в осадочных породах, также относят залежи самородной серы и целестина (сульфата стронция).
Таким образом, каждой стадии жизни осадочных образований соответствует образование различных экзогенных месторождений полезных ископаемых (табл. 4.3).
Таблица 4.3.
Стадии литогенеза и образование месторождений (по Н.М.Страхову с добавлениями)
| Стадии | Преобладающие процессы и условия | Типы месторождений |
| Cедименто-генез | 1.Мобилизация в коре выветривания | Al, Co, Ni, TR, Au |
| 2.Перенос и промежуточное накопление | Россыпи, строительный камень, грунтовые воды | |
| 3.Седиментация в конечных водоемах стока | Россыпи, торф, сапропель, рассолы, строительное сырье | |
| Диагенез | 1.Ранний окислительный | Оолитовые окисные руды Fe и Mn, эвапориты |
| 2.Ранний восстановительный | Сидеритовые и родохрозитовые руды Fe и Mn, сапропели | |
| 3.Поздний, конкрециеобразование | Уголь, лигниты, горючие сланцы, цеолиты, фосфориты, U, TR, Y, Ge, Sc | |
| 4.Экзодиагенез | U, Ge, Be, TR, Cu, Be, грунтовые воды | |
| Катагенез | Региональная литификация, эпигенетические процессы | Нефть, газ, рассолы, артезианские воды, Pb, Zn, Cu, S, Sr, U, Se, Re, Sc |
Напомним, что в экологическом смысле опасными являются следующие экзогенные процессы и явления: катастрофические сдвижения ледников, лавины, сели, оползни, просадки грунтов, особенно в лессах, солифлюкция, морозное пучение, талики, смерчи, наводнения и засухи, заболачивание и опустынивание, цунами, абразия и сильные шторма.
Основы гидрогеологии
Общие сведения
Гидрогеология, в отличие от гидрологии, занимается подземными водами, которые имеют важнейшее значение. Например, население Московской области на 80 – 90% снабжается подземными водами. Подземные воды используются не только для питьевого и хозяйственного водоснабжения, но и в качестве технической воды при добыче нефти, источников бальнеологических минеральных и термальных вод и в огромных объемах при обогащении полезных иcкопаемых, в металлургии, химической, пищевой и легкой промышленности и энергетике (табл. 5.1). В городах на одного жителя приходится от 275 до 400 литров чистой воды в сутки, в Москве до 600 л/сут.
Таблица 5.1
Масса воды, используемой при различном производстве (по Баландину, 1978 и др.)
| Производство | Масса воды | Производство | Масса воды |
| 1 кг синтетического волокна 1 л бензина 1 кг нефти 1 кг стали | 10 кг 10 кг 18 кг 25 кг | 1 кг целлюлозы 1 м шерстяной ткани Добыча 1 т угля На 1 т сожженного угля 1000 МВт на АЭС | 250 кг 2500 кг 2 - 20 т 1000 т 320 тыс. л в сутки |
Парогидротермы являются источником природной энергии (Паратунская ТЭС на Камчатке). Из минеральных подземных вод добывают йод, бром, бор. Они являются потенциальным источником ценных металлов Li, Сs, Rb, Sr, Мо, W и др.
В горных породах вода находится в разных формах. По физико-химическим параметрам выделяют семь типов вод:
1. вода в твёрдой фазе или лёд это агрегат кристаллов гексагональной сингонии, а снежинки - скелетные кристаллы;
2. вода в виде пара;
3. плёночная вода, которую еще называют прочно связанной, поскольку её нельзя удалить отжиманием из горной породы; она обладает особыми физико-химическими свойствами, например, более агрессивна, чем обычная вода;
4. рыхло связанная вода из мелких пор, которая может высвободиться при механическом выдавливании из глинистых пород; эта вода более минерализованная и тоже более агрессивная, чем обыкновенная вода;
5. гравитационная вода может свободно просачиваться по сообщающимся порам перепада давлений; это обычная вода, которая явно преобладает в подземной гидросфере;
6. кристаллогидратная вода, которую создаёт радикал Н3О+, находящийся в узлах кристаллической решётки глинистых минералов и цеолитов;
7. гидроксильная вода находится во многих минералах (эпидот, хлорит, амфиболы, слюды и др.), в виде радикала ОН- и входит в узлы кристаллической решётки.
По происхождению различают четыре типа подземных вод:
1. ювенильные воды первичных морей и океанов, которые появились около 4,2 млрд. лет назад на планете Земля;.они, возможно, и сейчас генерируются за счёт окисления водорода, выходящего из мантийных недр;.
2. магматогенные и метаморфогенные воды, которые получаются при остывания и кристаллизации магматических расплавов, или при метаморфизме в процессе перекристаллизации минералов, содержащих гидроксильную группу или кристаллогидратную воду;
3. седиментогенные или древние захоронённые в морских осадочных толщах воды, которые накапливались в озёрных, морских или океанических бассейнах. Эти воды чаще всего сильно минерализованы, а в солеродных бассейнах представлены рассолами с минерализацией более десятков граммов на литр; минерализация это сумма всех растворенных в воде солей; пример седиментационной подземной воды – Московская минеральная;
4. метеорные (метеогенные или инфильтрогенные) воды, которые поступают в недра с поверхности; они наиболее распространены и, как правило, пресные с минерализацией до 1 г/л; именно эти воды пригодны для хозяйственно-питьевого водоснабжения.
Различные типы подземных вод тесно связаны с поверхностными водами (рис. 5.1).
Рис. 5.1. Взаимосвязь разных типов подземных и повепрхностных вод (по Соколову и др.,2002).
Влагоёмкость горных пород и почв определяется количеством воды, которое они могут удержать. Она включает гигроскопичность – это явление осаждения в горной породе влаги из воздуха. По влагоёмкости выделяют три категории горных пород:
· влагоёмкие – торф, глины, суглинки;
· слабовлагоёмкие – лёссовые породы, некоторые супеси и суглинки;
· невлагоёмкие – пески, галечники, гравийники и скальные породы – известняки, доломиты, трещиноватые магматические и метаморфические породы.
В недрах подземные воды заполняют различные поры. Выделяют первичные и вторичные поры. Первичные или литогенные поры получаются изначально во время образования горной породы. Например, в песке и песчанике (терригенные породы) всегда имеются поры между обломочными зернами. Есть такие поры и в карбонатных породах, например, в высокопористых рифовых известняках.
Вторичные поры образуются в результате выщелачивания или растворения отдельных компонентов в каркасе горной породы при сохранении самой горной породы. Например, если пространство между песчинками заполнено кальцитом и в это место попадает кислый раствор, то при растворении карбоната образуются поры. Типичной вторичной пористостью обладают карстовые известняки и доломиты. Часто вторичные поры имеют тектоническое происхождение. Если горные породы подвергнуть сильному стрессу или ударному воздействию, например, при тектоническом раздвиге, сдвиге, сжатии или землетрясении или взрыве вулкана, то в них появляются трещины.
Существуют макропоры с диаметром более 2 мм, капиллярные поры (0,n - 2,0 мм) и микропоры (<0,1 мм). Они могут соединяться между собой или быть изолированными. Эти два типа изолированных и сообщающихся пор определяют общую и эффективную пористости. Эффективная пористость – это отношение объёма сообщающихся пор к общему их объёму, умноженное на 100%. 30% - хорошо проводящие породы, 5-6% - плохо проводящие, меньше 1% - водоупоры. Понятие эффективной пористости чрезвычайно важно, поскольку определяет проницаемость пород – способность пропускать воду при перепаде давления. Выделяют хорошо проницаемые породы - коллектора и водоупоры или экраны - слабо проницаемые и практически непроницаемые породы (табл. 5.2).
Таблица 5.2
Типы пород по проницаемости
| Категория водопроницаемости | Породы | Коэффициенты фильтрации k, м/сутки |
| I | Хорошо водопроницаемые (галечники, крупнозернистые пески, закарстованные породы) | > 10 |
| II | Водопроницаемые (пески, трещиноватые породы) | 10 -1 |
| III | Слабо водопроницаемые (мергели, песчаники, супеси) | 1-0,01 |
| IV | Весьма слабо проницаемые (глинистые песчаники, супеси, суглинки) | 0,01-0,001 |
| V | Непроницаемые, практически водоупорные (глины, каменные соли и др.) | < 0,001 |
В капиллярах вода имеет свойство «прилипать» к стенкам. По капиллярам грунтовые воды могут подниматься до 6 м, т.к. идёт подсасывание воды за счёт мениска. Время полного подъема капиллярной воды оценивается от 80 до 475 суток. Капиллярная пористость во многом определяет влажность почв, фундаментов и оснований зданий и сооружений и соответственно и коррозию.
По типам пор коллектора разделяют на пластово-поровые, трещинно-пластовые и трещинные. Экранирующими (водоупорными или флюидоупорными) образованиями являются непроницаемые пласты каменных солей, глины и некоторые туфовые горизонты, тектонические глины (милониты). Коллектора обладают высокой проницаемостью и соответственно эффективной пористостью (больше 10%). Водоупоры имеют низкую проницаемость, но могут обладать большой общей пористостью, как глины.
Коллектора представлены высокопроницаемыми, высокопористыми образованиями: терригенные породы (песчаные, гравийные, галечные); органогенные известняки; трещиноватые известняки, доломиты, граниты и другие магматические и метаморфические породы; карстованные карбонатные породы; доломитизированные известняки. Как правило, коллектора, обводнены и содержат подземные воды, но могут содержать газы, прежде всего, метан и нефть. Они могут и не содержать флюиды. Такие сухие коллектора оказались полезны человечеству для хранения залежей подземных вод, газа, нефти или захоронения жидких ядовитых отходов.