План лекции

9.1. Содержание курса «Гидрогеология». Распределение и баланс воды на Земле

9.2. Виды воды в горных породах. Происхождение подземных вод. Понятие о водоносном горизонте

9.3. Воднофизические свойства горных пород

 

9.1. Содержание курса «Гидрогеология». Распределение и баланс воды на Земле

 

Гидрогеология - это наука о подземных водах. Она изучает происхождение, формирование, распространение и законы движения подземных вод, их химический состав и свойства, взаимосвязь с атмосферными и поверхностными водами, методы использования под­земных вод и борьбы с ними. Это наука геологического цикла. Она

использует общие закономерности изменения состава и строения Земли и является естественноисторической наукой. Гидрогеология тесно связана с общей и исторической геологией, с науками о геологии и оценке месторождений полезных ископаемых, а также с химией, с гидрологией и метеорологией.

Подземные воды оказывают влияние на разработку месторождений и на строительство инженерных сооружений. В то же время они являются ценнейшим полезным ископаемым и широко используются я питьевого и промышленного водоснабжения.

Развитие науки о подземных водах имеет ряд этапов, связанных с общим научно-техническим прогрессом и уровнем развития хозяй­ственной деятельности человека.

Подземные воды давно используются человеком. Особое значение имеет применение бурения скважин на воду (первая половина XIX века), когда появилась необходимость в прогнозировании и обобщении материалов. Следующим шагом было начало строительства инженерных сооружений в обводненных породах с искусственным по­нижением уровня воды (начало XX века), а еще позднее - переход к осуществлению крупных проектов по гидротехническому строи­тельству и освоению сильно обводненных месторождений.

В развитии гидрогеологии как науки и в гидрогеологические исследования большой вклад внесли отечественные ученые. Особенно велики достижения в период после Великой Октябрьской социалис­тической революции.

Основная часть запасов воды на Земле заключена в гидросфере (моря и океаны) - 1370 млн. км. Количество влаги в атмосфере составляет 14 тыс. км. Одновременный объём воды в реках составляет 1,2 тыс. км? Общие запасы подземных вод в земной коре оцениваются весьма неоднозначно. По одним оценкам, они достигают ВЭОО млн. км, по другим, в несколько раз меньше.

Вида - одно из наиболее подвижных веществ на Земле. Круговорот воды, взаимосвязь воды из разных оболочек земли представ­ляет одно из важнейших геологических явлений. Вода в атмосфере полностью возобновляется за 9 суток, вода в реках - за 12 суток, вода в морях и океанах за 2600 лет. В земной коре идет интенсивный водообмен на небольших глубинах. А на больших глубинах водообмен затягивается на целые геологические периоды.

Составными элементами круговорота являются^ осадки - сток - испарение. В целом для Земли осадки (X) и испарение (Z) равны. Для суши: X=Z + h (сток). Важное значение соотношения этих элементов круговорота имеет для конкретных районов. Различают сток поверхностный и подземный. Для характеристики баланса воды часто используют также показатели как коэффициент стока

где h- сток в мм;

x - осадки в мм,

и модуль стока

, где Q - расход реки в м³/сек; F - площадь водосборного бассейна в км².

Расход реки характеризует суммарный сток. Подземный сток оценивается по суммарному расходу родников. Поверхностный сток определяется как разность.

 

9.2. Виды воды в горных породах. Происхождение подземных вод. Понятие о водоносном горизонте

 

Вода в горных породах многообразна. Выделяют следующие виды воды в горных породах (по А.Ф. Лебедеву с уточнениями):

1. Вода в форме пара.

2. Физически связанная (молекулярная) влага,

а) прочносвязанная - гигроскопическая,

б) рыхлосвязанная - пленочная.

3. Капиллярная вода.

4. Свободная (гравитационная) вода.

5. Вода в твердом состоянии (в форме льда).

6. Химически связанная вода (конституционная, кристаллизационная и цеолитная).

Прочносвязанную воду можно удалить из породы только высушиванием. Она содержится в основном в тонкодисперсных породах, обладающих гигроскопичностью (поглощением влаги из атмосферы). Плотность воды 1,2-2,4 г/см, температура замерзания до - 78° С.

Рыхлосвязанная влага образует гидратные оболочки вокруг минеральных частиц. Толщина пленок может быть разной, и вода этой разновидности передвигается от частиц с толстой пленкой к частицам с тонкой пленкой. Влага может быть частично удалена центрифугированием или с помощью пресса. Температура замерзания ниже нуля, плотность больше единицы.

Физически связанная вода удерживается силами, имеющими электрическую природу. Она характерна, прежде всего, глинистым породам.

Капиллярная вода заполняет углы крупных пор и мелкие поры. Передвигается и удерживается в породе вследствие сил поверхност­ного натяжения (не подчинена силе тяжести). Чем больше поры, тем меньше высота капиллярного поднятия. В глинистых породах она достигает 12 м.

Гравитационная вода заполняет крупные поры и трещины в горных породах и передвигается за счет собственной тяжести. Это движение называется инфильтрацией (просачивание сверху вниз) или фильтрацией (движение воды в условиях полного водонасыщения в водоносной породе). Гравитационная вода передает гидро­статическое давление и оказывает взвешивающее влияние на мине­ральные частицы (по закону Архимеда). Вода оказывает большое влияние на свойства горных пород.

Существует несколько путей формирования и пополнения запасов подземных вод. Основным является инфильтрация атмосферных осадков. Несомненным является также роль конденсации паров воды, вникающих в поры и полости горных пород из атмосферы.

Часть подземных вод осталось в горных породах со времени накопления осадка (седиментационная вода). При эндогенных процессах в результате конденсации паров, выделившихся из магмы, образуется ювенильная вода. Таковы основные типы подземных вод происхождению.

Горные породы в гидрогеологии подразделяют на водопроницаемые и водоупорные. К водопроницаемым относятся породы, в трещинах и порах которых может содержаться гравитационная вода. Водоносными называют водопроницаемые породы, насыщенные водой.

Водопроницаемыми являются пески, другие обломочные породы, трещиноватые твердые (скальные) породы. Глинистые породы, несмотря на высокую пористость, не содержат свободной воды и являются водоупорными. Водоупорными являются также монолитные скальные породы.

Слои водоносных пород составляют водоносные горизонты. Они имеют названия по стратиграфическим названиям толщ, но объём их может быть и больше, и меньше стратиграфических горизонтов. Водоносные горизонты разделяются водоупорами.

Группы водоносных слоев, имеющих гидравлическую взаимосвязь вследствие прерывистого распространения водоупоров, составляют водоносные комплексы.

Участки водоносных трещиноватых пород в магматических и метаморфических массивах называют водоносными зонами.

9.3. Воднофизические свойства горных пород

Пористость пород

Наличие пор, трещин и полостей в горных породах, от которых зависит их водопроницаемость, характеризует скважность (пустотность). Под пористостью понимают мелкую пустотность горных пород, но часто это понятие используют в более широком смысле вместо понятия «скважность».

Пористость песчано-глинистых и грубообломочных пород называют первичной. Поры и каверны растворимых пород, трещины в твердых породах являются вторичной скважностью.

Количественно пористость (скважность) выражается как отношение объёма пор по всему объёму породы в процентах (или в долях единицы):

, %

Где V_p- объем пор, см³;

V_s - Объём минеральной части породы (объём скелета), см³.

Часто используют коэффициент пористости (коэффициент при­чиной пористости):

Пористость и коэффициент приведенной пористости связаны между собой такими зависимостями:

;

Пористость является причиной разности между плотностью воды и объёмной массы:

где γ - плотность, г/см³ ,

δ - Объёмная масса скелета породы, г/см³

, г/см³

Где ∆ - объёмная масса влажной породы, г/см³,

W - весовая влажность, %

Тогда: ^{, %}

Именно эта зависимость используется для расчета пористости пород по данным лабораторных определений несыпучих пород.

Гранулометрический состав обломочных пород

Гранулометрический состав песчаных и обломочных пород позволяет судить о размере пор и пустот и о степени пористости, что определяет их коллекторские свойства.

В гидрогеологии и инженерной геологии используется классификация обломочных горных пород, которая несколько отличается десятичной классификации, принятой в петрографии. Выделяются следующие породы и фракции:

валуны больше 2O см,

галька - 2-20 см,

гравий - 2-20 мм,

песок - 0,05-2 мм,

пылеватые частицы - 0,005-0,05 мм,

глинистые частицы - меньше 0,005 мм.

Пески подразделяются на грубо -, крупно-, средне-, мелко-, тонкозернистые.

Гранулометрический состав грубообломочных и песчаных пород определяется ситовым способом. Разделение и определение доли пылеватой и глинистой фракции производится несколькими методами по плотности суспензии и скорости оседания частиц.

Для обработки данных гранулометрического анализа песчаных пород чаще используют построение полулогарифмических графиков (рис. 2,1) с которых удобно определять медианный диаметр (d₅₀) активный диаметр частиц (d₁₀) рассчитывается коэффициент неоднородности:

 

 

Влажность, влагоемкость и водоотдача

Влажность породы (W) характеризует содержание в её порах того или иного количества воды, удаляемой при нагревании до температуры не свыше 105.°С:

где g – масса влажной породы

g_c - масса сухой породы, г

Используют также объёмную влажность (W_o):

, г/см³

Влагоемкость - это способность пород принимать, вмещать и удерживать определенное количество воды. В зависимости от вида и количества воды, содержащейся в породе, различают несколько видов влагоемкости: гигроскопическую и максимальную гигроскопичесую, максимальную молекулярную влагоемкость (W_μ), капиллярную(W_k) и полную влагоемкость (W_n).

Свойство пород, насыщенных водой, отдавать её путем свободного стекания называется водоотдачей. Водоотдача зависит от типа породы, размеры частиц, из которых она состоит, и характера материала, заполняющего поры и трещины. Наибольшей водоотдачей обладают крупнообломочные породы. Глины имеют низкую водоотдачу. У песков она изменяется от 10-15% до 25-35%.

Водоотдача характеризуется коэффициентом водоотдачи (W_b), выражающих отношение объёма стекающей воды к объёму породы. Он может быть ориентировочно рассчитан по разности между значениями полной и максимальной молекулярной влагоемкоетей:

,%

Водопроницаемость

Водопроницаемость - это способность породы пропускать-фильтровать воду. Она имеет непосредственное значение при оценке водопритоков. В результате экспериментов по фильтрации воды разных напорных градиентах (рис. 2.2) французский гидравлик Дарси установил зависимость:

, м³ /сутки

Где Q - количество фильтрующей воды в единицу времени, м³ /сутки

F - Площадь поперечного сечения потока, м²;

I - напорный градиент,

K - Коэффициент фильтрации, величина постоянная для данной породы характеризующая водопроницаемость, м/сутки.

Коэффициент фильтрации может быть определен опытным путем при откачке воды из специальных скважин, лабораторным путем (существует несколько типов приборов, в т.ч. прибор Дарси, трубка СПЕЦГЕО и др.) и расчетным путем по эмпирическим формулам, одна из которых (формула Хазена).