Часть 4. Основы гидрогеологии

4.1. Вода. Условия залегания подземных вод

Гидрогеология представляет собой науку о водах недр Земли. Гидро­геология месторождений твердых полезных ископаемых является прикладным направлением этой науки, изучающей подземные воды применительно к задачам геолого-промышленной оценки месторождений, их освоения и раз­работки.

Основными оболочками Земли являются литосфера, атмосфера, гидро­сфера и биосфера. Под гидросферой понимают все природные воды Земли находящиеся в постоянном взаимодействии с другими оболочками. Исследо­ватели выделяют надземную гидросферу, пронизывающую всю атмосферу, наземную, объединяющую совокупность поверхностных вод, и подземную, расположенную ниже поверхности Земли и дна океанов и водотоков.

Как известно вода образуется из двух объемов водорода и одного объема кислорода, т.е. имеет химическую формулу Н₂0 и молекулярную массу 18. Температура кипения и плавления воды при атмосферном давлении 100° и 0°С, теплоемкость воды наиболее высокая из всех жидкостей и составляет 4,19 Дж/°С. Вода обладает также самой высокой из всех жидкостей диэлектриче­ской постоянной (80,1 при t » 20°С). Благодаря этому при растворении в воде солей сила электрического взаимодействия между разноименными заряжен­ными частицами уменьшается в 80 раз. в результате чего соли в воде диссо­циируются на ионы значительно легче, чем если бы кристаллы соли находились в воздухе. Сама же вода в химических реакциях не участвует, оставаясь жидкой. Другим уникальным свойством воды является то, что ее твердая фаза (лед) не тонет в собственном расплаве. Поэтому водоемы замерзают с поверх­ности, образуя ледяную корку и защищая живые организмы от гибели.

В настоящее время известны три изотопа водорода (¹Н - протий, ²Н - дейтерий Д, ³Н - тритий Т), и три изотопа кислорода (¹⁶О, ¹⁷О, ¹⁸О). Различные сочетания указанных изотопов могут образовать 18 различных типов воды. Особое внимание исследователей привлекает т.н. тяжелая вода, состоящая из дейтерия и обычного кислорода - ²Н₂¹⁶0, которая обладает необычностью свойств. Тяжелая вода токсична, живые организмы в ней погибают.

Постоянное взаимодействие воды с горными породами, газами, живым веществом обуславливает многообразие воды в подземной гидросфере. В на­стоящее время схема подразделения видов воды в горных породах может быть предоставлена в следующем виде:

1. Вода, входящая в состав кристаллической решетки минералов. 2. Вода, физически связанная горными породами. 3. Свободная вода (капиллярная, гравитационная). 4. Вода в твердом состоянии - лед. 5. Вода в состоянии пара.

Для специалистов изучающих горное дело наибольший практический интерес представляет свободная вода. В отличие от других видов она обладает свойствами жидкой воды и способна передвигаться под действием силы тяжести, ее количество в горной породе зависит от размера пор и трещин. Капиллярно поднятая вода, образующая капиллярную кайму, располагается над поверхностью свободных вод. Отличительная особенность гравитационной воды - ее передвижение под влиянием силы тяжести и напорного градиента. Свободная вода передает гидростатическое давление. Различают инфильтрующуюся воду зоны аэрации, просачивающуюся сверху вниз и фильт­рующуюся воду зоны полного насыщения - она движется в виде потока по водоносному горизонту (рис.4.1)

Рис. 4.1. Схема взаимодействия зон аэрации и полного насыщения:

1 - зона аэрации; 2 - подзона капиллярного поднятия; 3 - зона полного насыщения;

4 - водоупор; 5 - направление движения воды; 6 -родник

Инфильтрационное питание в значительной степени зависит от интен­сивности атмосферных осадков. Для предотвращения обвалов и оползней при открытой разработке выполняют защитные мероприятия по перехвату атмо­сферных вод. При подземной разработке ливневые дожди и снеготаяние по­вышают обводненность выработок особенно при их неглубоком заложении.

Вода в горных породах находится под влиянием одновременно и повсе­местно действующих сил: сорбционных (молекулярных), капиллярных, грави­тационных и др. Однако соотношение их различно на разных участках и в разные моменты времени. Наличие в горных породах той или иной природы действующих сил определяет и их водные свойства: влагоемкость, естествен­ную влажность, водоотдачу, недостаток насыщения и водопроницаемость.

В различных оболочках земной коры встречаются и различные агрегат­ные состояния воды, обусловленные соответствующими температурами и давлением. Твердая фаза (лед) распространена в районах криолитозоны (многолетней мерзлоты). Жидкая вода наиболее широко распространена в верхней части земной коры. В магме вода находится в растворенном и диссо­циированном состоянии (5-7% воды). Практически распределение воды в зем­ной коре в настоящее время изучено до 5-12 км на платформах и 2-3 км в гор­ных складчатых областях. В этих пределах выделяют два этажа: 1. Нижний этаж представляющий собой основание платформ и сложенный плотными метаморфическими породами являющимися водоупором. Здесь подземные воды развиты в ограниченных количествах по зонам тектонических нарушений и в коре выветривания; 2. Верхний этаж - чехол платформ и складчатых сооружений. Для него характерно наличие крупных скоплений подземных вод в виде бассейнов различного типа. По характеру распределения подземных вод выделяют зону аэрации и зону насыщения. Последняя и представляет наибольший практический интерес. Поскольку техногенные загрязнения по­ступают в водоносные горизонты через зону аэрации, познание процессов и роли последней также актуальны.