Водоносные горизонты: типы, свойства и роль зон разломов в формировании подземных вод

Верховодка и артезианские системы. Большинство скважин заполняются водой просто потому, что они пересекают уровень грунтовых вод. Однако подземные породы не всегда однородны, что может привести к образованию сложного типа подземных вод, известного как верховодка (приподнятый уровень грунтовых вод). Верховодка образуется в результате наличия линз или прослоев непроницаемых пород (глин, плотных суглинков) в подповерхностных слоях, что создаёт куполообразные водоносные линзы на высотах, превышающих основной уровень грунтовых вод. Такие локальные водоносные горизонты располагаются поверх непроницаемого слоя и могут быть важным источником воды в засушливых регионах, однако их запасы обычно ограничены.

Водоносные горизонты и их свойства. Водоносные горизонты – это любые проницаемые горные породы или реголит, насыщенные водой, через которые движутся грунтовые воды. Термин «водоносный горизонт» обычно используется для обозначения пород или грунтов, содержащих экономически извлекаемое количество воды при существующих технологиях. Качество водоносного горизонта зависит от двух основных свойств: пористости и проницаемости. Пористость измеряет общий объём открытых пустот в материале (в процентах), тогда как проницаемость отражает лёгкость, с которой жидкость может перемещаться через открытые поровые пространства; последняя частично зависит от размера, формы и связности отдельных пор.

Биг-Спринг, Миссури (курсивом – описание рисунка)

Хорошими водоносными горизонтами являются гравий и песчаник, а также трещиноватые горные породы. Глина настолько непроницаема, что образует слабые водоносные горизонты и, как правило, создаёт водоупоры, которые останавливают движение воды. Существует несколько основных типов водоносных горизонтов. В однородных проницаемых породах и почвенных массивах водоносные горизонты формируются в виде единого слоя ниже уровня грунтовых вод, где скважины заполняются водой при простом пересечении этого уровня.

Когда верхней границей залегания грунтовых вод в водоносном горизонте служит уровень грунтовых вод, такой горизонт считается неограниченным (безнапорным). Во многих регионах проницаемый слой (обычно песчаник) залегает между двумя непроницаемыми слоями, создавая замкнутый (напорный) водоносный горизонт. В такие системы вода поступает только через небольшую зону подпитки; если эта область находится в горах, водоносный горизонт может находиться под значительным давлением, образуя артезианскую систему.

Артезианские воды. Вода, вытекающая из трещин или скважин, отражает разницу давлений между областью питания и областью разгрузки (гидравлический градиент) и поднимается над водоносным горизонтом в виде артезианского источника или артезианской скважины. Из некоторых артезианских скважин бьют фонтаны высотой до 200 футов (60 м). Одним из примеров служит артезианская система во Флориде, где вода поступает в зону подпитки и высвобождается около Майами примерно 19 000 лет спустя.

Водоносные горизонты в зонах разломов. Гидрологи, геологи и муниципалитеты всё больше осознают, что значительные запасы пресной воды хранятся в трещинах кристаллических пород под землёй. Многие гранитные и другие коренные породы прорезаны многочисленными трещинами, разломами и зонами дробления, в некоторых из которых имеются открытые пространства. Трещины различного масштаба представляют собой зоны повышенной пористости и проницаемости; они могут образовывать сети, способные накапливать и переносить огромное количество воды. Эти системы подземных вод, называемые водоносными горизонтами зон разломов, в чём-то похожи на карстовые системы.

Концепция водоносных горизонтов зон разломов объясняет поведение подземных вод в крупных водоразделах, контролируемых разломами. Зоны разломов служат коллекторами и переносчиками воды из одной или нескольких зон подпитки; при этом поверхностный и подземный сток в значительной степени контролируются региональными разломами. Как производительность, так и качество воды в этих зонах обычно выше, чем в обычных скважинах любого типа пород. Потребление высококачественной воды в таком регионе может составлять 250 галлонов (950 л) в минуту и более, а общее количество растворённых твёрдых веществ в воде из высокодебитных скважин, как правило, ниже среднего по региону.

Влияние структуры разломов на качество воды. На качество и количество воды, получаемой из водоносных горизонтов зон разломов, влияет характер разломов и связанная с ними вторичная пористость по всей площади водосбора. Понимание того, как структура трещиноватости меняется в зависимости от бассейна, важно для определения уникального влияния вторичной пористости на сток грунтовых вод, инфильтрацию, пропускную способность и накопление, и, в конечном счёте, для выбора мест бурения и использования воды в трещинах.

Колебания количества осадков на территории водосбора определяют, как происходит пополнение системы водоносных горизонтов в зоне разлома. Орографические эффекты проявляются, когда количество осадков в горах значительно больше, чем на более низких высотах. Осадки собираются на большой площади водосборного бассейна, содержащего зоны с высокой проницаемостью из-за интенсивного разрушения коренных пород, связанного с основными зонами разломов. Множество трещин в пределах этих зон высокой проницаемости «направляют» воду в другие зоны разломов вниз по склону, потенциально образуя сеть площадью в сотни квадратных миль.

Зоны разломов и трещиноватости служат проводниками грунтовых вод и часто являются каналами для поверхностного стока. Их пересечения образуют прямолинейные дренажные системы, иногда выступающие на поверхность, но также присутствующие под землёй и сходящиеся под уклоном. В некоторых регионах эти прямолинейные структуры не видны на поверхности из-за растительности и отложений. Сближение каналов подземных вод увеличивает количество воды, доступной для пополнения запасов. Повышенная проницаемость, объём воды и соотношение воды и минералов в зонах разломов помогают поддерживать качество водоснабжения.

Каналы в трещиноватых средах. Эти каналы образуются как в трещиноватых непористых средах (кристаллические породы), так и в трещиноватых пористых средах (песчаник, известняк). В какой-то момент в русле грунтовых вод после сближения гидравлический градиент уменьшается. Осадочный покров в зоне основного разлома становится толще и служит резервуаром для хранения воды с первичной пористостью. Зона основного разлома выполняет две функции: перенос воды по «трубопроводам» и хранение воды в смежных зонах со вторичной (и/или первичной) пористостью.

Подземные воды в пределах такого слоя или линзы часто текут с ускоренной скоростью, что приводит к повышению давления грунтовых вод как в зоне разлома, так и в окружающем материале. Быстрый поток в «трубопроводе» может почти мгновенно пополняться за счёт осадков. Окружающие материалы пополняются медленнее, но и воду отдают медленнее, служа накопителем для питания канала в промежутках между осадками. Как только зоны насыщаются, любая дополнительная вода переливается через край, если доступен выход.

На водоразделе большой площади вода, вероятно, течёт по подземным каналам под давлением до тех пор, пока не будет найден выход в ограничивающую среду. Значительные объёмы подземных вод могут протекать вдоль основной зоны разлома, контролирующей водораздел, и могут выходить на подводных участках такой зоны, образуя прибрежные или морские источники пресной воды.

Характеристики и значение водоносных горизонтов в зонах разломов. Водоносные горизонты в зонах разломов наиболее распространены в районах, сложенных кристаллическими породами, которые претерпели многочисленные деформации, включая несколько этапов разломообразования. Они особенно важны в регионах, где возможно пополнение запасов воды за счёт сезонных или спорадических осадков в горных районах, прилегающих к равнинным пустынным землям. Эти водоносные горизонты отличаются от горизонтальных аллювиальных или осадочных водоносных горизонтов пятью ключевыми характеристиками:

(1) они осушают обширные территории, многие из которых простираются на десятки миль (несколько десятков километров); (2) они представляют собой каналы, ведущие в горные районы с высоким потенциалом пополнения за счёт осадков; (3) некоторые из них могут соединять несколько горизонтальных водоносных горизонтов, тем самым увеличивая объём накапливаемой воды; (4) поскольку источник воды находится на более высоких высотах, артезианское давление на уровне грунтовых вод может быть высоким; и (5) при обычном бурении их обычно не замечают, потому что вода часто залегает на глубине сотен метров.

Использование в засушливых регионах. Характеристики водоносных горизонтов зон разломов делают их отличным источником подземных вод в засушливых и полузасушливых районах, где они используются всё чаще. Ресурсы подземных вод в таких районах скудны, и их необходимо правильно эксплуатировать и продуманно управлять ими. Большинство этих ресурсов являются «ископаемыми» водами – они накапливались во влажные климатические эпохи в геологическом прошлом. Нынешние темпы пополнения за счёт случайных осадков недостаточны для восполнения водоносных горизонтов, поэтому ресурсы следует использовать экономно, не превышая оптимальной скорости откачки воды из каждой скважины.

Растворение грунтовых вод и образование карстовых ландшафтов. Грунтовые воды вступают в химическую реакцию с окружающими породами: они могут осаждать минералы и цементировать зёрна, что приводит к снижению пористости и проницаемости, или, напротив, образовывать такие элементы, как сталактиты и сталагмиты в пещерах. В других случаях, особенно когда кислая вода просачивается сквозь известняк, она может растворять породу, создавая пещеры и подземные туннели. Провалы (воронки) образуются там, где эти полости растворения пересекают поверхность Земли.

Растворение грунтовых вод приводит к формированию особого класса форм рельефа, называемых карстовыми террейнами. В карстовых районах пещеры могут обрушаться, оставляя на поверхности провалы и сухие долины, и в конечном итоге превращаться в впечатляющие башни и остроконечные вершины из нерастворившейся породы, окружённые бывшими пещерными ходами. Южный Китай славится высокоразвитыми карстовыми ландшафтами, в то время как некоторые районы Среднего Запада США известны хорошо развитыми системами подземных пещер. Понимание карстовых процессов имеет критическое значение для оценки уязвимости подземных вод к загрязнению, поскольку в таких системах вода перемещается быстро и практически без фильтрации.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам естественнонаучных направлений (геологии, географии, геофизики, астрофизики и космологии), начинающим специалистам в области структурной геологии, тектоники, космологии и астрофизики, а также всем, кто интересуется фундаментальными загадками устройства Вселенной и процессами формирования Земли.