Будова водоносного горизонту та умови циркуляції

Підземних вод

Осадові товщі, з якими пов’язані основні запаси підземних вод, складаються з перешарованих водопроникних та водотривких гірських порід. Під впливом сили тяжіння атмосферні опади і поверхневі води поступово просмоктуються у пласти, що залягають нижче й накопичуються на першому водотриві. Так утворюються водоносні горизонти ґрунтових вод – водопроникні шари гірських порід, що вміщують воду та залягають над водонепроникними пластами.

У будові будь-якого водоносного горизонту виділяють такі елементи: ложе (водотрив), водоносний шар (горизонт) та дзеркало (рівень) ґрунтових вод. Найменша відстань між водотривами або дзеркалом ґрунтових вод і водотривом має назву товщини водоносного горизонту. Положення ложа водоносного шару в просторі може бути горизонтальним, похилим та викривленим (синклінальним). Ділянка земної поверхні, з якої водоносний горизонт поповнює водою свої запаси, називається областю живлення. Якщо водоносний горизонт розкривається яром, річковою долиною або іншим природним пониженням, підземні води виходять на денну поверхню. Область витоку вод має назву області розвантаження, тобто дренування, а місця виходу води – джерелами, або криницями. У зоні розвантаження дзеркало водоносного горизонту викривляється і набуває вигнутої або вироподібної форми. Розвантаження глибинних підземних вод відбувається по зонах розривних тектонічних порушень.

За наявності області розвантаження води переміщуються в бік структури, що розкрила водоносний горизонт. Швидкість руху води вимірюється в метрах за добу і коливається від частки метра до 100 м/доб. У дрібнозернистих пісках швидкість руху води 1 – 5 м/доб., а у крупнозернистих і галечниках – від декількох десятків до 100 м/доб.

У межах однієї ділянки може бути не один, а декілька водоносних горизонтів, які відділені один від одного водотривкими шарами. Системи суміжних водоносних горизонтів з подібними гідродинамічними та гідрогеохімічними умовами утворюють водоносні комплекси.

Зі збільшенням глибини залягання напори, температура і мінералізація підземних вод збільшуються, а вік їх стає старшим.

Оскільки підземні води циркулюють у гірських породах, підземна гідросфера просторово суміщена з верхньою частиною літосфери, з якою утворює практично єдину систему – літогідросферу.

Рух гравітаційних (вільних) підземних вод здійснюється у колекторах різних типів: порових, тріщинних, карстових та їх модифікаціях і визначається геогідродинамічною зональністю. У більшості басейнів підземних вод формуються природні геогідродинамічні системи трьох генетичних типів: інфільтраційні, елізійні та термогідродинамічні.

Інфільтраційні системи розвинуті у водоносних горизонтах та комплексах, що залягають на глибині перших сотень метрів (Дніпровсько-Донецька западина, Донецька складчаста споруда). Підземні води, що знаходяться тут у колекторах різних типів – порових, тріщінних і карстових, переміщуються під дією гідростатичного напору, величина якого визначається різницею гіпсометричних позначок між ділянками живлення та розвантаження водоносних горизонтів. Швидкості руху підземних вод змінюються від n^.10^-3 до n^.10² м/доб., а водоносні горизонти відрізняються доброю «промитістю» через інтенсивний водообмін.

Елізійні водонапірні системи формуються у водоносних горизонтах і комплексах, які залягають під потужними регіональними водотривкими товщами (соляними, глинистими та ін.) на глибинах перших тисяч метрів. Підземні води, що знаходяться у тріщінних і тріщинно-порових колекторах, рухаються з дуже малими швидкостями, що іноді не перевищують n^.10^-3 м/рік. Вони зіставляються зі швидкостями тектонічних коливальних рухів земної кори і зміною структурних планів водоносних комплексів. Швидкості рухів підземних вод при вертикальному їх розвантаженні по зонах тектонічних порушень (у тріщинних колекторах) сягають n^.10⁰ – n^.10¹ м/рік.

Термогідродинамічні водонапірні системи розвинуті у найбільш занурених високотемпературних товщах палеозою. Внаслідок процесів термогідратації з гірських порід відбувається відділення вод та флюїдів, міграція яких має місце у порово-тріщинних колекторах зі ще меншими, ніж у елізійних системах, швидкостями і повністю визначається тектонічними напругами у земній корі. В умовах, у яких розвантаження цих вод по зонах розломів ускладнюється, в окремих місцях формуються локальні осередки надгідростатичного пластового тиску.

Існують різні класифікації підземних вод, що ґрунтуються на їх походженні, динамічних особливостях, хімічному складі, мінералізації, температурі, наявності в них газів, радіоактивності тощо. Найуніверсальнішою є класифікація за умовами залягання, за якою підземні води поділяються на капілярні, верховодку, пластові, тріщинні та карстові.

Капілярні води заповнюють пори та шпарини у найбільш високому шарі ґрунтів, не мають водотриву і займають «висяче» положення у шарі водопроникнених порід. Перебувають у прямій залежності від кліматичних умов та пори року і забезпечують вологою рослини.

Верховодка – найвищий водоносний шар, у якому вода накопичується у невеликих лінзах водонепроникних або слабкопроникних порід. Має невелику товщину (1 – 2 м) і є обмеженою у просторі.

Ґрунтові води – перший від поверхні водоносний горизонт, що відрізняється від верховодки значним розповсюдженням. Глибина залягання – від декількох сантиметрів до десятків метрів. Живлення здійснюється за рахунок інфільтрації опадів та поверхневих вод в осадові породи. Шари гірських порід, крізь які відбувається просмоктування води з поверхні, мають назву зони аерації (інфільтрації). У її основі знаходиться зона насичення (водопроникні породи, що заповнені водою). Рівень ґрунтових вод не є постійним. Він залежить від кліматичних та погодних умов: підвищується під час дощів та повеней і знижується під час спеки. Ґрунтові води, що рухаються, називаються ґрунтовими потоками. Використовуються ці води для місцевого водопостачання й часто експлуатуються колодязями.

Пластові (міжпластові) води, що є характерними для зони насичення, залягають у водоносному горизонті між двома водотривами, один з яких підстилає водоносний горизонт, а інший перекриває. Живлення здійснюється за рахунок перетоку підземних вод з верхніх та нижніх водоносних горизонтів і комплексів. За характером напору ці води поділяються на безнапірні й напірні.

Напірні підземні води, що містяться у водоносному горизонті між шарами водонепроникних порід називаються артезіанськими (рис. 4.1). Розкриті свердловинами, вони під дією гідростатичного тиску піднімаються вище водотривкої покрівлі й часто фонтанують. В Україні виділяють три великі басейни артезіанських вод: Дніпровсько-Донецький, Волино-Подільський та Причорноморський

Рисунок 4.1 – Схема будови артезіанського басейну:

1 – водонепроникні породи; 2 – водопроникні шари з напірною водою; 3 – фонтануючі свердловини

Тріщинні води – підземні води, що містяться в тріщинах гірських порід і циркулюють зонами тріщинуватості у кристалічних, вулканогенних і осадових породах. Розрізняють тріщинно-жильні, тріщинно-порові (ґрунтові), тріщинно-пластові і тріщинно-карстові води. Режим, хімічний склад і мінералізація тріщинних вод не є постійними. Горизонти тріщинних вод частіше за все характеризуються відносно високими фільтраційними властивостями, низькою мінералізацією, безнапірним або слабконапірним режимом. Використовуються для водопостачання. В Україні виділяються великий басейн тріщинних вод Українського кристалічного щита та невеликі масиви тріщинних вод Карпат, Криму та південного схилу Воронезького кристалічного масиву.

Карстові води – підземні води, що приурочені до карстових порожнин у карбонатних, галогенних, галогенно-карбонатних та інших гірських породах. Інколи залягають в артезіанських басейнах у пластовій формі. Характеризуються високими швидкостями фільтрації й турбулентним рухом. Хімічний склад – залежно від складу порід. Це можуть бути як прісні гідрокарбонатні (кальцієві, магнієві, натрієві) води, так і хлоридно-натрієві розсоли з мінералізацією вище від100 г/дм³. Розвинуті у карбонатних породах Донбасу, Карпат, Криму, галогенних товщах Дніпровсько-Донецькогої западини

Природні виходи підземних вод на денну поверхню називаються джерелами. Джерела утворюються на рельєфних формах, що розкрили водоносні горизонти: на берегах річок, морів, схилах гір, ярів або в зонах розривних тектонічних порушень. За напрямком течії підземної води джерела поділяються на низхідні та висхідні (рис. 4.2).

Рисунок 4.2 – Джерела підземних вод:

а – низхідне; б – висхідне; 1 – водоносні піски; 2 – водотривкі глини; 3 – вапняк; 4 – напрямок руху підземних вод у джерелах

Низхідні джерела є типовими для розвантаження вод верховодки та ґрунтових вод, а висхідні – для пластових артезіанських вод. За температурою вони поділяються на холодні та гарячі (термальні), а за ступенем мінералізації – на прісні та мінералізовані.

Кількість води, що виливається з джерела ( а також свердловини, яка розкриває водоносний горизонт) за одиницю часу, має назву дебіт.