Основи гідрогеології

Гідрогеологія — це наука про підземні води, умови їх утворення, залягання, руху і формування хімічного складу.

До підземних вод належать усі води, які знаходяться в ґрунтах і гірських породах нижче поверхні Землі. Вони є частиною водної оболонки Землі — гідросфери і тісно пов'язані з поверхневими водами (річками, озерами, морями і океанами) та водами атмосфери. Внаслідок такого взаємозв'язку підземні води беруть участь у загальному колообігу води в природі. В залежності від зовнішніх умов вода знаходиться у газоподібному, рідкому або твердому стані. В природі постійно здійснюється колообіг води. Пароподібна вода, яка знаходиться в атмосфері, згущується і випадає у вигляді дощу і снігу і тим самим поповнює запаси води в гідросфері (в морях, озерах, річках). При недостатньому насиченні атмосфери водяними парами вода випаровується з поверхні водоймищ і в пароподібному стані потрапляє в атмосферу. Атмосферні осадки, які випадають на поверхню Землі, не повністю

79

стікають у річки, озера та моря, частина їх просочується в землю і поповнює запаси підземних вод. Підземні води виходять на поверхню землі у вигляді джерел або у дні водоймищ і живлять поверхневі води. Таким чином, колообіг води у природі охоплює атмосферні, поверхневі і підземні води.

Просочуючись у землю, вода заповнює пори, тріщини і порожнини в гірських породах і дійшовши до водоопорних шарів, утворює водоносні горизонти. Води, які знаходяться нижче поверхні землі в рідкому, твердому і газоподібному стані (за винятком хімічно зв'язаної і кристалізаційної води) називаються підземними водами. Походження підземних вод головним чином пов'язане з просочуванням атмосферних осадків. Цей вид підземних вод називають вадозними водами. Незначна частина підземних вод утворюється за рахунок конденсації парів, що піднімаються з великої глибини — це ювенільні води. Підземні води пов'язані з осадовими утвореннями різного віку і генезису та мають широке розповсюдження. Як правило водопроникні породи чергуються з водоопорними і тому утворюється декілька самостійних водоносних горизонтів. Поверхня порід, яка підстеляє водоносний шар, називається водооопорним ложем, а яка покриває його — водоопорною крівлею. В залежності від глибини та умов залягання водоносних шарів розрізняють такі основні види водоносних горизонтів: верховодку, ґрунтові води, глибокі та артезіанські води.

Безпосередньо під поверхнею землі залягає верховодка. Верховодка — це тимчасове скупчення підземних вод на поверхні невеликого, неглибокого водоопорного пласта. Вона може мати незначну потужність, незначне розповсюдження і в посушливі періоди зникати.

Ґрунтовими водами називають перший від поверхні землі водоносний горизонт (не враховуючи верховодку). За звичай він не перекривається водоопорними породами і тому є безнапірним. Оскільки він залягає близько від поверхні землі, то його рівень і хімічний склад протягом року змінюється в залежності від кількості атмосферних опадів. Воду, яка просочується з зони верховодки в зону ґрунтових вод називають інфільтраційною водою.

80

Стан води в гірській породі залежить від її вмісту. Вода у формі пару (пароподібна) міститься в повітрі, яке займає вільне від рідкої води пори і тріщини в гірських породах. Вона знаходиться в динамічній рівновазі з іншими видами води і з паром води в атмосфері та має велику мобільність. Якщо води в породі дуже мало і вона утворюється шляхом адсорбції молекул пароподібної води на поверхні мінеральних частинок гірських порід, то її молекули утримуються на поверхні зерен та порожнин силами зчеплення та електростатичними силами. Таку воду називають фізично міцнозв'язаною і її можна видалити просушуванням породи при температурі понад 100°С. Міцнозв'язана вода характерна для тонкодисперсних порід — суглинків і глин. Фізично пухкозв'язана вода (плівкова) розташовується на поверхні частинок породи поверх міцнозв'язаної. Вона утворює більш товсту плівку з декількох шарів молекул та утримується молекулярними силами. При збільшенні вологості породи уся вода вже не може утримуватись силами зчеплення на поверхні частинок і заповнює найбільш тонкі пори і тріщини в породі в яких утримується силами поверхневого натягу. Таку воду називають капілярною. В залежності від розмірів пор в породах підземні води можуть вільно переміщуватись під дією сили тяжіння, або утримуватись капілярними силами, наприклад у дрібнозернистих породах і тонких тріщинах (капілярна вода). Розрізняють два основних види капілярних вод: а) капілярно-підвішена вода, яка не пов'язана з рівнем підземних вод (утворюється у верхній частині ґрунтів і піщано-суглинистих ґрунтів зони аерації за рахунок інфільтрації атмосферних осадків); б) капілярно-підтягнута вода, що розташовується безпосередньо над рівнем ґрунтових вод, від якого вона піднімається знизу вгору). Капілярний підйом води у порах ґрунту утворює зону капілярного підняття (капілярну зону). Окрім цього вода може утримуватись на поверхні частинок за рахунок гігроскопічних властивостей порід (гігроскопічна вода). Якщо води в породі більше, аніж її можуть втримати сили поверхневого натягу, то надлишок її утворює гравітаційну (крапельно-рідку) воду. Така вода рухається під впливом сили тяжіння та гідродинамічного напору за законами гідравліки і займає найнижче гіпсометричне положення. Породу, яка містить зв'язану і капілярну воду називають

81

вологою, а породу, яка містить гравітаційну воду — водоносною. Шари гірських порід, що містять підземну воду, називаються водоносними горизонтами. Шари водонепроникних порід називаються водоопорами. Простір, який зайнятий або придатний для заповнення ґрунтовими водами являє собою колектор ґрунтових вод. Поверхня контакту водоносного горизонту з залягаючим над ним водоопором називається крівлею водоносного горизонту. Якщо рівень води водоносного горизонту вище його крівлі, то така вода називається напірною. Виробки, що розкривають напірний водоносний горизонт називаються артезіанськими. Рівень, до якого піднімається напірна вода в декількох п'єзометрах утворює п’єзометричну поверхню. Поверхня безнапірних ґрунтових вод називається дзеркалом ґрунтових вод, на рівні котрого встановлюється рівень води в колодязях і свердловинах.

Міжпластові безнапірні води відрізняються від ґрунтових тим, що знаходяться між двома водоопорними шарами. Такі води розвинуті переважно в умовах розчленованого рельєфу і залягають вище базису (місцевої гідрографічної сітки). Вони не заповнюють порожнину водоносного шару і виходять у вигляді джерел в берегових схилах ярів і річок. Міжпластові води є проточними і за умовами переміщення аналогічні низхідним ґрунтовим водам.

Напірні, або артезіанські, міжпластові води — це підземні води водоносних горизонтів, які перекриті і підстеляються водонепроникними пластами гірських порід і розташовуються на великих просторах і глибинах поза сферою впливу місцевих дрен (річок, ярів та інших понижень). Найбільш сприятливі умови для формування напірних вод створюються в межах різноманітних тектонічних прогинів земної кори, а також при моноклинальному заляганні гірських порід.

Підземні води містяться в порах, тріщинах і карстових порожнинах і відповідно поділяються на порові (зосередженні в уламкових породах), тріщинні (в тріщинуватих скельних порода) та карстові (в закарстованих скельних порода) води.

Окрім цього виділяють воду у твердому стані у вигляді кристалів, прошарків і лінз льоду. Така вода утворюється при сезонному промерзанні водонасичених гірських порід.

82

Кристалізаційна (хімічно зв'язана вода) входить до складу ряду мінералів і бере участь в будові їх кристалічної ґратки. Як приклад можна назвати гіпс СаSіО₄х2Н₂О (містить 20,9% води за масою), мірабіліт Nа2SО₄x10Н₂О (55,9% води за масою).

В формуванні підземних вод, а також швидкості їх руху велике значення мають ступінь і характер водопроникливості порід. Водопроникливість гірських порід — це здатність гірських порід пропускати через себе гравітаційну воду. Вона визначається структурно-текстурними особливостями порід, в першу чергу пористістю і тріщинуватістю. Ступінь водопроникливості характеризується коефіцієнтом фільтрації, який вказує на швидкість (м/добу), з якою гравітаційна вода просочується через породу при нахилі підземного потоку рівному 45°. За ступенем водопроникливості усі гірські породи поділяються на групи:

1. Добре водопроникливі (Кф>10) — галечник, крупнозернисті піски;

2. Водопроникливі (Кф=1-10) — піски, тріщинуваті пісковики, конгломерати та інші скельні породи, тріщинуваті та закарстовані вапняки, доломіти;

3. Слабопроникливі (Кф=0,01-1) — супіски, легкі суглинки, леси, мергелі, торф (який не розклався) та ін.;

4. Відносно водонепроникливі (Кф=0,001-0,01) — глинисті пісковики, супіски, суглинки;

5. Непроникливі або водоопірні (Кф < 0,001) — глини, важкі суглинки, торф, що розклався, не тріщинуваті масивні кристалічні і зцементовані осадові породи.

Водопроникність пухких, зернистих порід (пісок, гравій, галечник) визначається їх структурою. В них вода рухається порами між окремими зернами. Чим крупніші зерна, тим більша проникливість породи. Від складу пухких порід залежить їх вологоємність, тобто здатність вміщувати та утримувати в собі ту чи іншу кількість води при даній температурі та тиску. Розрізняють повну вологоємність, коли вода заповнює усі пори (в тому числі і капілярні) гірської породи, і максимальну молекулярну вологоємність, яка показує кількість води, що втримується в породі силами молекулярного зчеплення, після того як уся гравітаційна

83

вода стече. Різниця між повною і максимальною вологоємністю називається водовіддачею гірської породи.

За походженням виділяють декілька типів підземних вод:

1. Інфільтраційні підземні води утворюються в результаті просочування (інфільтрації) у водопроникні гірські породи атмосферних осадків.

2. Конденсаційні підземні води утворюються в результаті конденсації водяних парів повітря в порах і тріщинах гірських порід в умовах жаркого клімату і невеликої кількості опадів. В результаті конденсації в пустелях утворюються лінзи прісних вод над соленими ґрунтовими водами.

3. Седиментогенні підземні води — це води морського походження, які утворились одночасно з нагромадженням морських осадків. Такі води сильно змінюються в процесах літогенезу. Вважають, що глибинні високо мінералізовані (солені і розсоли) підземні води є морського генезису, які були змінені при підвищених температурах і тиску та важкому водообміні. Інколи такі води називають похованими.

4. Ювенільні підземні води або магматогенні. Багато джерел підземних вод в областях сучасної вулканічної діяльності мають підвищену температуру і містять в розчинному стані незвичайні для поверхневих умов з'єднання і газові компоненти.

5. Відроджені, або дегідратаційні води утворюються в результаті виділення з мінеральних мас, що містять кристалізаційну воду. Такий процес відбувається при високих температурах і тиску.

Підземні води, що зосереджені в порожнинах і порах гірських порід, знаходяться у русі, котрий напрямлений від ділянок з більш високим положенням дзеркала підземних вод до ділянок з більш низьким його положенням. Підземний потік переважно рухається по тонким порам і тріщинам в породах і тому завжди має паралельноструменевий, плавний або ламінарний рух. Кількість води, що фільтрується залежить від швидкості фільтрації поперечного розрізу потоку.

Областю живлення водоносного горизонту називають місце, де у нього надходить вода з атмосфери, водоймищ, або інших водоносних горизонтів, а областю розвантаження або дренування — то місце, де вода з водоносного горизонту виливається у вигляді

84

джерела або пластового виходу. Підземні води рухаються від області живлення до області розвантаження. Рівень, кількість і якість ґрунтових вод протягом часу змінюються в залежності від кліматичних умов і особливо кількості атмосферних опадів. В багатоводні роки, коли випадає велика кількість атмосферних опадів, рівень ґрунтових вод підвищується, а в маловодні — знижується. При цьому декотрі шари гірських порід періодично заповнюються водою, або осушуються. На підставі цього в просторі від поверхні Землі до водоопірного ложа виділяють три зони: 1) зона аерації; 2) зона періодичного насичення водою, яка розташована між мінімальним і максимальним рівнем підземних вод; 3) зона постійного насичення, яка розташована між мінімальним рівнем ґрунтових вод і водоопорним ложем. Разом з коливанням рівня ґрунтових вод змінюється дебет джерел і частково хімічний склад води. В природі спостерігається гідравлічний зв'язок ґрунтових вод з річками та іншими водоймами. В районах з вологим кліматом річки, як правило, дренують підземні води і рівень останніх має нахил до річки. Тільки у повеневий період в прибережній смузі виникає зворотній нахил (від річки). Після спаду повені рівень ґрунтових вод поступово понижується і набуває свого звичайного нахилу. Для встановлення висотного рівня ґрунтових вод і його змін на підставі систематичних замірів рівня ґрунтових вод у колодязях та бурових свердловинах будуються карти ізогіпс, на яких вказуються лінії рівної його висоти по площі.

Особливістю гідрогеологічних умов районів розвитку багаторічно мерзлих порід є те, що мерзлі породи є водоопорами. В масивах багаторічно мерзлих порід зустрічаються такі типи водоносних горизонтів:

а) надмерзлотні води, що містяться в шарі сезонного відтаювання і неправдивих таликів;

б) міжмерзлотні і внутрішньо мерзлотні води, що знаходяться в шарах талих порід, які обмежені багаторічно мерзлими породами (в першому випадку, котрі мають зв'язок, а в другому — що не мають зв'язку з іншими типами підземних вод);

в) води наскрізних таликів, що беруть участь у водообміні поверхневих та підземних вод;

85

г) підмерзлотні води, що зосереджені у першому від підошви шарі багаторічно мерзлих порід водоносного горизонту.

Хімічний склад підземних вод залежить від їх походження, а також від ступеню і характеру водообміну і взаємодії з гірськими породами по яких вони протікають. В процесі руху підземних вод відбувається взаємодія їх з гірськими породами, по котрим вони протікають, внаслідок чого відбувається збагачення підземних вод мінеральними солями.

Гідрохімічні типи підземних вод визначаються за вмістом переважаючих аніонів і катіонів та їх поєднанню. Найбільш поширені в підземних водах аніони НСОз, SО₄^2-, Сl та катіони Са²⁺, Мg²⁺, Na⁺. Їх поєднання визначає основні властивості вод (лужність, солоність, жорсткість). За аніонами виділяють 4 класи вод: 1) гідрокарбонатні; 2) сульфатні; 3) хлоридні і 4) проміжні (складного поєднання) — гідрокарбонатно-сульфатні, хлоридно-сульфатні, сульфатно-хлоридні та ін. За співвідношенням з катіонами вони можуть бути кальцієві, натрієві та магнієві, або змішаними — магнієво-кальцієвими, кальцієво-натрієвими, кальцієво-магнієво-натрієвими та ін. В природних умовах спостерігається широтна і вертикальна гідрохімічні зональності підземних вод.

Мінеральними водами називають підземні води, які мають фізіологічну дію на організм людини і використовуються для лікувальних цілей. Лікувальні властивості їх визначаються підвищеною температурою і вмістом декотрих хімічних елементів. За загальною мінералізацією серед них зустрічаються прісні, солонуваті та солені води. За температурною ознакою вони поділяються на холодні (до 20° С), теплі (20-37°С ), гарячі (37-42°С), дуже гарячі (понад 42°С). Мінеральні води України теж є корисними копалинами. Україна має лікувальні води майже всіх відомих різновидів мінеральних вод. Мінеральні води, що зустрічаються на Україні, можна розділити на дві основні групи: Води без специфічних компонентів і властивостей, лікувальне значення яких визначається їх іонним складом та загальною мінералізацією. Води специфічного складу, особливості лікувальної дії та використання яких визначаються наявністю у них різних біологічно активних компонентів.

86

Води без специфічних компонентів і властивостей це

сульфатні та хлоридні води, які розповсюджені на значній частині території України.

Води специфічного складу це вуглекислі (один з найбільш цінних різновидів мінеральних вод, який давно використовується в лікувальній практиці), миш'яковисті, бромні, залізисті, сульфатні, радонові води, води зі значною кількістю органічної речовини та ін. З мінералізованими і підземними водами пов'язаний розвиток курортного бізнесу. Термальні підземні води з високою температурою (75°С і більше) можуть використовуватись для теплофікації населених пунктів і підігріву теплиць, а з температурою понад 100 С — для енергетичних цілей (будівництво геотермальних електростанцій).

Підземні води займають виключно важливе місце в природі, житті людини і вирішенні народногосподарських задач. В першу чергу це вирішення питань постачання прісною підземною водою населених пунктів і промислових підприємств, а також меліоративних робіт на масивах зрошення. Забезпечення населення, промисловості та сільського господарства прісною підземною водою ЮНЕСКО вважає важливою проблемою світового масштабу. В Україні запаси прісної води в 8,5 раз менші (в перерахунку на одного мешканця) світового показника. Вивчення підземних вод, їх режиму необхідно при проектуванні гідротехнічних споруд з метою прогнозу зміни цього режиму під впливом водосховищ, які створюються. При розробці корисних копалин гідрогеологічні дослідження спрямовані на визначення можливого притоку підземних вод у шахти та інші гірські виробки та проектування заходів по боротьбі з ними. При розробці нафтових і газових родовищ велике значення мають визначення співвідношення газ-нафта-підземна вода (її динаміка, хімізм) та прогноз зміни цього співвідношення в процесі експлуатації. Техногенний вплив на підземну гідросферу може бути значним та різностороннім. Техногенний вплив за характером дії на підземну гідросферу може бути поділений на групи факторів: 1)що обумовлюють порушення природного водного балансу (умов, живлення та розвантаження підземних вод); 2) що призводять до порушення природних умов формування якості підземних вод.

87

В Україні гостро стоїть проблема боротьби з підтопленням сільськогосподарських земель, територій міських агломерацій, сіл і т.д. Активне підтоплення територій відмічається в Криму, Одеській, Дніпропетровській, Миколаївській та Херсонській областях.