Занимательная гидрогеология


Откуда же вода в пустыне?



страница3/11
Дата28.11.2017
Размер1.85 Mb.
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11

Откуда же вода в пустыне?

 

Вырыли неглубокий колодец в песчаной пустыне, и вдруг стала сочиться вода. Но откуда она взялась? Ведь это происходит в пустыне, где дожди выпадают крайне редко. Как видно, инфильтрацией воды с поверхности мы не сможем объяснить этого феномена.



Долгие годы ученые ломали голову, пытаясь найти решение данной загадки. Более 100 лет назад ученый О. Фольгер выдвинул поразившую всех гипотезу, что вода под землей образуется путем конденсации (сгущения) водяных паров. Он считал, что они содержатся в проникающем с поверхности воздухе. Попадая в поры пород, эти пары сгущаются, переходя в капельно-жидкое состояние. Он с пафосом воскликнул: «Ни одна капля подземной воды не происходит за счет капель дождевой воды».

Из нашего жизненного опыта мы хорошо знаем, что когда теплая погода внезапно сменяется холодной, часто появляются туманы. Они возникают в результате резкого падения температуры, когда относительная влажность воздуха при том же абсолютном содержании паров воды повышается до 100%. Это и ведет к образованию капелек воды. В этом и состоит сущность процесса конденсации. Нечто похожее происходит и в порах песка: при понижении температуры пар превращается в капельки воды.

Возникли ожесточенные споры двух групп ученых - сторонников «инфильтрационной теории» и «конденсационников».

 

так образуется в пустыне под кучей камней конденсационная вода

Рис. 14. Так образуется в пустыне под кучей камней конденсационная вода

 

Большинство ученых назвали теорию конденсации неправдоподобной, надуманной и даже сумасбродной.



Советский ученый А.Ф. Лебедев поставил оригинальные эксперименты. Ему удалось на опытах доказать, что конденсационный путь образования воды под землей действительно существует. Однако он также установил, что в поры пород проникает не воздух, как это утверждал О. Фольгер, а водяные пары. Результатом его работ была научно обоснованная теория конденсационного образования подземных вод.

В Аравийских пустынях бедуины собирают кучи камней. Под ними через некоторое время образуется немного воды (рис. 14). Эта вода - результат конденсации водяных паров. Так практика подтверждает научные теории.

Теперь ясен ответ на вопрос, откуда вода может появляться в песках пустынь или на степных водоразделах.

Гидрогеологам теперь известно, что основным путем накопления воды под землей все же является инфильтрация. Лишь часть воды обязана своим происхождением конденсации в порах пород водяных паров. Однако воды под землей образуются не только этими двумя путями. В XX веке австрийский ученый Э. Зюсс, размышляя по поводу источников воды под землей, высказал догадку, что крупным поставщиком могут явиться пары и газы, поднимающиеся из глубоких недр воды. Эти воды никогда не видели дневной поверхности, и поэтому Зюсс их назвал «ювенильными» (т. е. девственными).

Сейчас ученые знают, что под земной корой залегает мощная мантия, в составе которой имеется много воды (до 2-3%). А.П. Виноградов на основании остроумных лабораторных экспериментов показал, что из пород мантии при расплавлении выделяются водяные пары. Он считает, что даже массы воды в океанах могли возникнуть путем выделения из глубоких недр Земли.

В настоящее время поступление все новых порций воды из глубин нашей планеты не вызывает сомнения. Вместе с тем количество ее, притекающее в земную кору в течение года, незначительно, но постоянство этого процесса в течение многих миллионов лет превращает его в весьма важный источник пополнения подземных вод.

Есть еще ряд других путей пополнения подземных вод: «захватом» океанических, морских и озерных вод в накопляемых на дне рыхлых илах и других типах донных отложений, из захороняемых в морских отложениях растительных и животных организмов и т. д. Все они имеют второстепенное значение в общем балансе вод под землей.

Читатель может видеть, что пути, приводящие воду в земную кору, различны и довольно сложны. В этом основная причина того, что подземные воды разнообразны. Они отличаются по составу, температуре, направлению и скорости движения и другим особенностям.

Может ли вода просочиться до центра Земли?

Сразу отвечаем: конечно, нет. Просачиваясь с поверхности, вода движется в песке или каком-либо другом проницаемом слое до тех пор, пока не встретит на своем пути преграду в виде другой породы, особенность которой - не пропускать воду.

Дело в том, что поверхностная часть Земли, или, как ее называют геологи, верхняя часть земной коры, сложена породами, образовавшимися в море или на суше.

Представим себе, что мы в костюме акванавтов совершаем прогулку по морскому дну. Здесь свой особый мир. У берега дно сложено чаще всего галькой, гравием или крупным песком, а по мере движения в глубину мы попадаем в царство все более мелких песков. Еще глубже и дальше от берега ноги начинают утопать в илистом материале. Это все продукты, образовавшиеся в ходе разрушения пород, слагающих сушу. Многие тысячелетия они переносятся морскими потоками и накапливаются на дне, образуя слои гальки, гравия, песка, глины. Для каждой породы отведено природой свое место.

 

породы в земной коре собраны в пласты

Рис. 15. Породы в земной коре собраны в пласты

 

Чем ближе к берегу, тем крупнее накапливающийся материал, чем дальше - тем, наоборот, он мельче. Но с течением времени береговая линия передвигается. И там, где на дне накопилась толща песка, начинает скапливаться новый более тонкий материал. Вот и получается, что морские отложения представляют собой как бы слоеный пирог, в котором чередуются породы, состоящие то из более крупных частиц - галечника, песка, то из более мелких - глинистых. Каждый слой имеет большую площадь и занимает определенное пространство. Такой слой геологи называют пластом осадочной породы (рис. 15).



В течение тысячелетий характер минерального материала, приносимого с суши, меняется. Часто такая смена происходит резко в результате различных геологических потрясений - катастрофических движений земной коры, изменений рельефа местности и гидрографической сети, перемещения береговой линии и других. В результате меняется характер приносимого в море материала, и на образовавшемся пласте начинает откладываться новый. Таким путем формируется пластовое строение толщи пород (см. рис. 15). Пески могут сменяться суглинками (порода, содержащая не только песчаные частицы, но и тонкие глинистые размером менее 2 мкм, а суглинки - глинами и снова песками.

Пласты могут залегать совершенно горизонтально, так как они отложились на дне моря. Но мы уже говорили, что земная кора находится в постоянном движении, изменяя положение пластов; прежде всего они наклоняются, а часто коренным образом меняют свою форму.

Давайте вернемся к самому началу этой главы. Прошел дождь; на песках вода просочилась капельками в поры и ушла в землю. А на участке глины образовались обширные лужи, и ноги увязают в грязи. Почему же здесь вода не инфильтровалась в глубь породы?

 

вода в глине движется с очень малыми скоростями

Рис. 16. Вода в глине движется с очень малыми скоростями, в 1000-10 000 и более раз медленнее, чем в песке

 

Дело в том, что глина состоит из очень мелких частичек (размером менее 0,002 мм и 2 мкм). Такие тонкие зернышки, плотно прилегая друг к другу, образуют очень маленькие поры.



Ученые измерили их с помощью электронного микроскопа. Оказалось, что их ширина редко превосходит 0,001-0,003 мм. В таких тонких породах вода не в состоянии свободно течь. Ее перемещение возможно, но только лишь путем очень медленного молекулярного движения.

В природе тончайшие поры глин почти всегда заполнены водой. Ее частицы находятся под влиянием атомно-молекулярных сил, действующих на поверхности тончайших минеральных зерен. Это взаимодействие возникает благодаря особому строению кристалликов глинистых минералов и электрическим особенностям молекул воды, о которых уже упоминалось в первой главе.

Конечно, движение воды через глину происходит, но оно в тысячи и десятки тысяч раз медленнее, чем в тех же песках. Даже движение улитки по сравнению с водой в глине покажется «космическим». За сутки в такой породе вода при благоприятных условиях может просочиться на 0,5-1,5 мм. Чтобы пройти путь в глине в 1 м, воде потребуются многие месяцы и даже годы (рис. 16).

Некоторое ускорение движения возникает в том случае, когда в глине содержится неравномерное количество солей, растворенных в поровой воде на разных участках породы. Тогда возникает перемещение природных растворов от мест с высокой концентрацией солей к местам с их малым содержанием. Быстрее вода движется при нагревании отдельных частей породы. В этом случае ускоряется ее перемещение от холодных к нагретым местам.

Теперь мы можем начать разговор о пути движения дождевой капли. Представим себе лежащий на поверхности слой песка. Прошел дождь. Капельки быстро просочились вглубь по крупным порам и, увлекаемые силой тяжести, стали опускаться все ниже и ниже. Но вот пласт песка кончился.

Дальше идет слой глины. Дорога воде прочно закрыта. Капелькам деться некуда, и они начинают накапливаться, их становится все больше и больше. Над глиной в песке образуется слой воды. Глина играет роль упора для воды. Поэтому говорят, что первый пласт глины от поверхности - первый водоупор. Над ним в песке постепенно образуются значительные скопления воды. Обратите внимание, что скопление ее идет одновременно на значительной площади, определяемой участком распространения песчаного слоя и подстилающего его глинистого пласта.

А теперь выроем колодец, и когда он достигнет поверхности накопившегося слоя воды, в нем весело заплещется такая нужная нам вода (рис. 17).

 

струйки встречают водоупор и образуют грунтовые воды

Рис. 17. Струйки встречают водоупор и образуют грунтовые воды

 

Скопления воды в песке над глиной ученые назвали водоносным пластом (или водоносным горизонтом). Первый от поверхности слой воды над первым водоупором получил название грунтовой воды. Она является источником воды для многих городов, сел и деревень. Теперь легко можно представить себе, что чем дальше от поверхности земли залегает водоупор, тем глубже приходится рыть колодец. Однако положение поверхности воды в колодце зависит не только от глубины водоупора, но и от толщины слоя, грунтовой воды над ним или, как говорят гидрогеологи, мощности водоносного пласта.



Но не только глина может являться водоупором. В этом качестве могут выступать сланцы, граниты, базальты и другие скальные породы, которые при отсутствии или малой трещиноватости также не пропускают воду.

Грунтовые воды в колодце после отбора нескольких ведер обычно снижают свой уровень, однако через некоторое время он опять восстанавливается. Это происходит потому, что из окружающего участка вода устремляется к месту, где ее уровень ниже. Скорость притока зависит от водопроницаемости окружающего слоя песка или гравия. Чем крупнее поры слагающих слои пород, тем быстрее идет приток воды. Конечно, действуют и другие факторы - количество воды в водоносном горизонте и величина достигнутого понижения уровня воды в колодце.

Грунтовая вода, залегающая на первом от поверхности слое глины (водоупоре), всегда стремится двигаться. Эта неукротимая любовь к движению, связана с уклоном поверхности грунтовой воды, которая часто зависит от уклона поверхности водоупорных пластов. Вот по этому уклону вода и течет в своем вечном стремлении к движению. Поэтому гидрогеологи говорят о потоках грунтовой воды. Встречаются случаи, когда водоупор образует чашеобразную впадину, тогда вода здесь при определенных условиях неподвижна и образует «грунтовый бассейн».

 

Опять недоуменный вопрос

 

В XVIII веке были люди, которые выбирали в качестве своей специальности поиски воды под землей и ловко указывали места, на которых можно было рыть колодцы. Эта профессия была окружена таинственностью. В основе их искусства находить воду под землей лежал опыт поколений. Даже для этих людей оставалось загадочным, почему под первым пластом глины встречаются новые водоносные горизонты? Казалось бы, ниже такого глинистого пласта воды не должно быть. Ведь под дном кастрюли, наполненной водой, - она отсутствует. В чем же дело?



На этот вопрос ответить не сложно. Прежде всего пласт водоупорной глины может не быть сплошным. Тогда вода будет поступать в образующиеся в нем «окна». Или пласты глины ограничены в пространстве и где-то заканчиваются или, как говорят геологи, выклиниваются. В обоих случаях вода, инфильтрующаяся с поверхности, может, миновав первый слой глины, двигаться вглубь до второго горизонта (рис. 18, А), а затем и далее. А уж вода найдет себе дорогу.

 

вода под землей

Рис. 18. Вода под землей: А - вот так появляются второй и третий слои подземных вод; Б - вода находит путь в глубокие слои по наклонным пластам, выходящим на земную поверхность

 

Возможен и второй путь. Если пласты, лежащие в верхней части земной коры, имеют наклон, то на поверхности могут выходить по очереди слои глины и песка (рис. 18, Б). В таком случае вода будет поступать с поверхности во все песчаные породы и течь вдоль водоупоров вглубь.



Вода может найти и третий путь. Представим себе долину реки или искусственное море. Если они имеют высокие берега, сложенные вперемежку песками и глиной, то воды реки, водохранилища или озера могут устремляться в них, образуя сразу несколько водоносных слоев. На рис. 18, а показан такой случай в долине Днепра. Особенно много воды поступает в недра во время паводков. Тогда вода особенно «агрессивна» и энергично устремляется по трещинам пород в глубину земной коры.

Таким образом возникает многоэтажное строение - целая серия водоносных горизонтов, следующих друг за другом.

 

на высоких участках в степи весной под уплотненным слоем почвы часто накапливается верховодка

Рис. 19. На высоких участках в степи весной под уплотненным слоем почвы часто накапливается верховодка, исчезающая летом

 

Получается своеобразная этажерка: песок (или другая пропускающая воду порода), в котором накапливается «этаж» воды - водоносный горизонт, затем следует «пол» - водоупор (глина и другая непроводящая воду порода), а далее следующие «этажи» и «полы» (см. рис. 18, б).



Эти воды под землей, находящиеся между вторым и третьим, третьим и четвертым водоупорными слоями, так и называются - «межпластовые» (см. рис. 18, б).

Бывают случаи, когда вода, движущаяся с поверхности, встречает на своем пути случайный водоупор. Таким «полом» для воды могут оказаться любые уплотнения в породах, участок глины и даже предметы, не имеющие прямого отношения к породам. Вот над этим случайным водоупором и накапливается небольшое количество воды, образующее маленькие подземные озера (рис. 19, 20).

Бывают совершенно неожиданные случаи. Например, в долине Дона нами было встречено подобное «озеро» над старинной казачьей лодкой «Чайкой», когда-то захороненной песками реки. Его размеры были в длину 8 м, а в ширину около 3 м. Слой воды был около 1 м. Эти мелкие маловодные горизонты воды в сухое время года могут исчезать, испаряясь и инфильтруясь в глубь толщи. Так их и назвали - «верховодка». Он часто путает неумелых искателей воды. Вырыли колодец, встретили верховодок, вода как будто есть, а вычерпали 5-10 ведер и далее ее нет.

 

над крупным камнем образовался микрогоризонт воды («верховодка»)

Рис. 20. Над крупным камнем образовался микрогоризонт воды («верховодка»)

 

Люди ходят по поверхности земли и часто не подозревают, что у них под ногами целые «моря» воды. Эти «моря» крайне своеобразны. В них вся водная толща разделена на слои, как в слоеном пироге. Количество горизонтов, их водообильность зависят от особенностей геологического строения, истории развития территории и, наконец, климата. Ученые назвали такой «слоеный пирог» водоносным бассейном. Они очень разные и по вертикальному строению, и по конфигурации в пространстве. Часто разные горизонты имеют различный химический состав заключенной в них воды. Да и пути поступления воды в водоносные слои могут быть разными.



Гидрогеолог всегда стремится изучить не только вопрос о размещении в пространстве водоносных бассейнов и горизонтов, их слагающих, но и повадки каждого из них, характер движения потоков, колебания уровней по времени года и т. д.

 

Катастрофа на острове Мартиника

 

Малые Антильские острова служат как бы барьером между Карибским морем и безбрежными водами Атлантики. Среди них остров Мартиника, утопающий в зелени тропических лесов, кофейных плантаций и зарослях тростника, а над этим зеленым морем высится мрачная скалистая вершина вулкана Мон-Пеле.



Восьмого мая 1902 г. неожиданно весь остров содрогнулся от страшного взрыва. Над кратером вулкана появилось раскаленное добела облако, состоящее из палящего газа и твердых частичек. Какой-то миг оно стояло на вершине, а затем покатилось вниз, ускоряя с каждым мгновением свое движений.

Страшное облако на своем пути несло опустошение и смерть. Его температура вначале достигала 1100°С, а затем упала до 210-300°С. За считанные минуты раскаленное облако достигло расположенного у подножия вулкана цветущего города Сен-Пьер, тогдашней столицы острова. Потребовалось только несколько секунд, чтобы его парки, улицы, дома были сравнены с землей и сожжены. 30 000 жителей было в течение нескольких мгновений вычеркнуто из жизни.

А при чем же здесь подземная вода?

Дело в том, что газовое облако, образовавшееся в этот тропический день над жерлом вулкана Мон-Пеле, на 80% состояло из паров воды. Вулканологи предполагают, что именно газообразные продукты, среди которых основную массу составляют пары воды, являются причиной взрывов при извержениях вулканов. При всех вулканических процессах всегда регистрируется выделение больших количеств водяного пара. Так, даже в спокойно изливающихся вулканах Гавайских островов многочисленные измерения показали, что выходящие газы содержат до 70% водяного пара.

Когда вулканическая деятельность начинает угасать, из кратеров начинают постоянно выделяться газы и пары воды.

Места выделения пара и газов на склонах и кратерах вулканов были названы фумаролами (итальянское слово fumore - дымиться). В Северной Америке имеются группы фумаролов, расположенных в Долине десяти тысяч дымов. Установлено, что содержание водяных паров достигает здесь 99%.

 

очень часто из кратеров вулканов поднимается столб паров и газов

Рис. 21. Очень часто из кратеров вулканов поднимается столб паров и газов

 

Нет никакого сомнения, что вулканы связаны с подземными водами. В настоящее время предполагается, что основным источником воды при извержениях являются пары и газы, содержащиеся в огненном расплаве - магме, выбрасываемой вулканами из глубоких недр земли.



Ученые полагают, что выделение газов происходит в ходе остывания расплавленных пород (магмы) и резкого уменьшения давления, возникающего во время извержения. Если вспомнить предыдущие разделы этой главы, то можно сделать предположение о том, что вулканы выбрасывают частично и ювенильную воду, которая образуется в ходе выделения газов из огненного глубинного расплава.

Конечно, часть воды может попадать в вулканы и из горизонтов подземных вод, и путем проникновения поверхностных вод по трещинам пород. Полагают, что фумаролы Долины тысячи дымов именно таким путем и получают ее (рис. 21).

Одно время была высказана идея, что извержения порождаются морскими водами, проникающими по трещинам пород. Эта точка зрения сейчас отвергнута, но формирование подземных вод на участках вулканов, расположенных на берегах, за счет инфильтрации воды из моря или океана вполне возможно. Также не исключено проникновение подземных вод к вулканическим каналам и их участие в процессе извержения.

Вот мы и выяснили, что вулканы тесно связаны с подземными водами. Можно предполагать, что из кратеров временами выбрасывается ювенильная - глубинная вода, увеличивающая общий запас воды на поверхности Земли.

Вместе с тем ученые установили, что основные массы воды, выделяемой при вулканическом извержении, имеют либо поверхностное происхождение, либо связаны с обычными подземными водами.

Если Вам придется любоваться камчатскими или курильскими вулканами, кратеры которых часто «курятся», то вспомните, что это в основном выделяются пары подземной воды (см. рис. 21).

 

НЕВИДИМЫЕ РЕКИ

 

Представим себе, что человек уменьшился до размера микроба, оседлал дождевую каплю и пустился с ней в путешествие. Вот она упала на песок и моментально скользнула в пору. Сила тяжести тянет ее все ниже и ниже. Вдруг остановка.



Во всех соседних порах тоже движутся капельки воды. Наша капелька объединяется с соседними, и они образуют тонкую струйку, упорно прокладывающую себе путь в песке. Справа, слева, снизу, сверху - везде видны бесконечные количества таких струй. Временами они соединяются, перемешиваются и опять разъединяются.

Вода как бы струится через тончайшее сито. Это уже движется грунтовый поток вниз по уклону. Струи скользят в песке медленно и величественно. Подземная «река» в ряде случаев может спорить по количеству перемещающейся массы воды с поверхностной. Правда, там скорости потока в тысячи раз больше, зато в подземной «реке» ширина и глубина может во много раз превосходить поверхностную.

 

коэффициенты фильтрации различных пород

Рис. 22. Коэффициенты фильтрации (кф) различных пород

 

Законы движения воды под землей изучает очень сложный раздел гидрогеологии - динамика подземных вод. В ее основе лежат математические законы гидравлики. Советские ученые Г.Н. Каменский, С.К. Абрамов, Н.Н. Биндеман, А.И. Силин-Бекчурин, И.В. Гармонов и другие много сделали для ее развития. Они установили, что в водопроницаемых породах вода движется в виде мириадов струек, скользящих по порам и трещинам. В XIX веке французский ученый Дарси установил, что скорость движения зависит от величины уклона потока и особой важной характеристики породы - коэффициента фильтрации (кф), зависящего от количества и величины пор. Это очень важный и нужный для практики показатель. Гидрогеологи, чтобы выявить количество воды, которое будет притекать к колодцу, первым делом определяют коэффициент фильтрации. Он позволяет им рассчитать и скорость движения, и количественные характеристики грунтовых протоков. Этот показатель очень важен для любого грунта. Конечно, наибольший - в водопроводящих, наименьший - в водоупорных (рис. 22) породах.



Однако вернемся к нашему путешествию. Струйка, в которой мы находимся, скользит все дальше и дальше. Вдруг свет, солнечные лучи заиграли в потоке воды. Оказывается, наша струйка просочилась в глубокий овраг. Тысячи таких струй, вырываясь из пор породы, образуют в его стенках родники. Если посмотреть вдоль обрывистых стенок оврага, можно увидеть удивительную картину: на определенной высоте сочатся и бегут веселыми струйками по уклону ручейки. Овраг как бы разрезал поток грунтовой воды, и вот подземные воды снова вернулись на поверхность. Нельзя не заметить, что они вытекают из стенок только на определенной высоте, которая указывает на положение уровня грунтовой воды в пласте песка. Таким образом, гидрогеолог, осматривая стенки оврага или балки, может судить об уровне водоносного горизонта внутри массива. Это можно также уточнить, если измерить положение поверхности воды в колодцах. А знание расположения уровня очень важно: оно помогает установить количество воды в пласте и решить вопросы, на какую глубину нужно рыть колодец? Сколько воды можно из него получить?

Так закончилось наше путешествие с дождевой каплей. Но нам с Вами повезло. Могло бы получиться так, что наша капля просочилась бы в более глубокие водоносные горизонты, которые не вскрываются оврагами и балками. Вот тогда нам пришлось бы долго путешествовать под землей.

 




Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11


База данных защищена авторским правом ©vossta.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница