Минералы

 Горные породы

Состояние воды в горных породах

     Исследованиями А.Ф. Лебедева установлено, что в горных породах встречается несколько видов воды:

    1. Вода в твердом состоянии, в виде льда, присутствует в горных породах, имеющих отрицательную температуру (ниже 0°): Арктика, Антарктида, Сибирь, в областях "вечной мерзлоты".
    2. В виде пара - содержится в воздухе, заполняющем свободные от жидкой воды поры и трещины в горных породах.
    3. Гигроскопическая вода облекает частицы породы одномолекулярной тонкой пленкой и прочно удерживается на поверхности этих частиц молекулярными и электрическими силами. Эта вода может быть удалена только при нагревании до температуры не менее 105-110°С.
    4. Пленочная вода образует вокруг частицы горной породы и поверх гигроскопической воды более толстую пленку в несколько слоев молекул. Пленочная вода может передвигаться от одной частицы к другой, не подчиняясь силе тяжести.
    5. Капиллярная вода заполняет частично или полностью тонкие поры и трещины в горных породах и удерживается в них силами поверхностного натяжения. Эта вода поднимается по тонким капиллярам снизу вверх от уровня подземных вод. Чем меньше диаметр частиц, слагающих горную породу, тем мельче диаметр пор и тем больше высота капиллярного поднятия. В суглинках высота капиллярного поднятия может достигать 2м и более, в крупнозернистых песках - всего несколько сантиметров.
    6. Связанная вода входит в состав ряда минералов в качестве кристаллизационной воды. Примером являются гипс (CaSO4*2H2O), лимонит (2F2O3*3H2O), мирабилит (Na2SO4*10H2O). Эта вода из минералов может быть удалена при нагревании.
    7. Капельножидкая (свободная) гравитационная вода заполняет все поры и трещины в горных породах и свободно передвигается под действием силы тяжести.
    В зависимости от происхождения выделяются подземные воды нескольких типов: инфильтрационные, конденсационные, остаточные (реликтовые), ювенильные (магмогенные).

    Инфильтрационные подземные воды образуются в результате просачивания (инфильтрации) в глубину атмосферных осадков, выпадающих на земную поверхность. На земном шаре происходит непрерывный влагооборот. Воздушные массы, непрерывно перемещаясь, переносят пары в пределы суши, где они при благоприятных условиях сгущаются и выпадают на поверхность Земли в виде атмосферных осадков. Здесь они расходятся по 3 путям: первая часть стекает по склонам в ручьи и реки, которые несут свои воды в моря и океаны; вторая испаряется с поверхности Земли и третья просачивается в глубину, где и происходит накопление подземных вод. Есть основание полагать, что инфильтрация - основной источник пополнения запасов подземных вод.

    Конденсационные подземные воды

    В 1877г. немецкий гидрогеолог О. Фольгер выступает с конденсационной теорией происхождения подземных вод. По его представлениям теплый воздух, содержащий водяные пары, проникая в более холодные горные породы, отдает им часть влаги путем конденсации.

    Выдвинутая теория Фольгера не была подтверждена никакими экспериментальными данными и совершенно не вязалась с представлениями о скорости воздухообмена между атмосферой и верхними необводненными слоями литосферы, что вызвало резкие возражения против нее.

    Конденсационная теория происхождения подземных вод была возрождена на совершенно новой основе русским исследователем-агрономом А.Ф. Лебедевым в 1907-1911 гг. Им установлено, что между атмосферой и литосферой существует известное равновесие в водном режиме. Вода в виде пара находится в свободной атмосфере, а также в воздухе, который заполняет пустоты и поры в почве и горных породах. Водяной пар может перемещаться в пространстве, вследствие различий в значении упругости от места к месту. Перемещение пара происходит в направлении от мест, где он обладает большей упругостью, к местам с меньшей упругостью. Если упругость водяного пара в свободном воздухе больше, чем в воздухе, заполняющем поры почвы и горных пород, то он будет перемещаться из воздуха в почву. Попадая из области более низких температур, свойственных почве и горным породам, водяной пар начинает конденсироваться и переходить в жидкое состояние, подобно тому, как образуется роса при резкой смене температур дня и ночи. Наряду с конденсацией водяных паров А.Ф. Лебедев всегда отводил большую роль и процессам инфильтрации.

    Остаточные или реликтовые воды

    Это воды морских и озерных водоемов и рек, сохранившихся в соответственных осадках. Морские воды в образовании подземных вод могут принимать участие, либо сохраняясь в накопившихся на дне моря осадках, либо просачиваясь из морских бассейнов в ранее сформированные осадки. Воды морского происхождения делятся на два типа (по Г.Н. Каменскому) - на сингенетические и эпигенетические подземные воды.

    Сингенетические подземные воды - морская вода с растворенными в ней солями, всегда пропитывает рыхлые осадки, постоянно накапливающиеся на дне морских водоемов. В ходе дальнейшего осадконакопления и диагенеза она частично отжимается, но какая-то часть ее остается в осадке. Эта остаточная вода морского водоема и образует сингенетические подземные воды, т.е. воды, возникшие одновременно с осадками, их заключающими.

    Эпигенетические подземные воды представляют собой воды, проникшие из морских водоемов в ранее сформированные горные породы. Благоприятные условия для сохранения первоначальных запасов реликтовых вод создаются при захоронении их под мощными водонепроницаемыми слоями. Поэтому часто такие воды называют "погребенными".

    Ювенильные или магмогенные воды - образуются в областях современной или недавней вулканической деятельности. Для объяснения происхождения таких вод австрийским геологом Э. Зюссом в 1902 г. была выдвинута ювенильная теория. По его представлениям "ювенильные" воды могли образовываться из газообразных продуктов, выделяющихся в изобилии из магмы при ее остывании. Попадая в области с более низкими температурами, водяные пары начинают конденсироваться и переходить в капельножидкое состояние, образуя особый генетический тип подземных вод.

    Однако детальные исследования высокотемпературных источников, проведенные русскими гидрогеологами А.М. Овчинниковым, Ф.М. Макаренко в различных горных районах нашей страны, показали, что чистые ювенильные воды, как это понималось Э. Зюссом, в поверхностных частях земной коры не встречаются. Пары воды, выделившиеся из магмы на глубине, так же как и другие газообразные продукты, проникая вверх по разломам в земной коре, встречаются и смешиваются с обычными подземными водами инфильтрационного происхождения и поступают на поверхность в смешанном виде.

    По условиям залегания выделяют три основных типа подземных вод: верховодка, грунтовые воды и напорные межпластовые или артезианские. Иногда выделяют межпластовые безнапорные.

    Верховодка - к этому типу относят подземные воды, залегающие на небольшой глубине от поверхности Земли в зоне аэрации. Отличие верховодки от грунтовых вод в основном заключается в том, что она располагается выше их, (там, где происходит просачивание атмосферных осадков), и, кроме того, ограничена площадным распространением. Она накапливается на поверхности небольших линз или перемещающихся слоев водонепроницаемых и полупроницаемых горных пород. Мощность верховодки - 0,5-1, редко - 2-3 м и ее уровень подвержен значительным колебаниям, которые находятся в соответствии с климатическими изменениями. Наибольшей величины мощности верховодка достигает весной. Местное население использует эту воду для водоснабжения.

    Грунтовые воды - это воды первого от поверхности постоянного водоносного горизонта, залегающего на первом более или менее выдержанном водонепроницаемом слое. Они могут накапливаться как в рыхлых пористых антропогеновых и доантропогеновых породах, так и в трещиноватых твердых горных породах. Отсутствие водоупорной кровли обусловливает питание их на всей площади распространения или, иначе, область питания грунтовых вод совпадает с областью их распространения. В грунтовых водах следует различать верхнюю поверхность (или уровень грунтовых вод, называемый зеркалом, или скатертью), и водоупорное ложе (горная порода, подстилающая грунтовые воды). Порода, насыщенная водой, называется водоносным слоем, или водоносным горизонтом. Грунтовые воды по своим гидравлическим особенностям являются безнапорными водами со свободной поверхностью. При вскрытии их колодцами или буровыми скважинами вода будет устанавливаться на том уровне, на каком она залегает в породе, без подъема наверх. Зеркало грунтовых вод редко бывает горизонтальным. Обычно оно повторяет в несколько сглаженном виде рельеф поверхности и имеет четко выраженный наклон в сторону пониженных мест. Происходит это вследствие того, что подземные воды находятся в непрерывном движении. Они двигаются в виде грунтового потока, подчиняясь силе тяжести, по направлению к оврагам, рекам, морям и другим понижениям рельефа, где выходят в виде источников, т.е. происходит разгрузка. Грунтовые воды движутся по порам и нешироким трещинам в виде отдельных тонких струек, параллельных друг другу. Местами грунтовые воды, заполняя неровности водоупорного ложа, образуют грунтовые бассейны с горизонтальной или почти горизонтальной поверхностью. Режим грунтовых вод - их уровень, количество и качество с течением времени меняются. Они тесным образом связаны с водным режимом Земли. Изменение условий питания сейчас же нарушает режим грунтовых вод. Основным ведущим фактором при этом являются климатические условия и особенно количество атмосферных осадков. Иногда колебания уровня имеют резко выраженный сезонный характер и в течение года достигают несколько метров. При этих колебаниях некоторые слои пород периодически то заполняются водой, то осушаются. Таким образом, на пространстве от поверхности Земли до водоупорного ложа отчетливо выделяют зону аэрации, промежуточную зону и зону полного насыщения.
Зона аэрации располагается над наивысшим уровнем грунтовых вод, устанавливающимся после длительного периода выпадения осадков; она никогда не бывает заполнена водой, и атмосферные осадки через нее лишь просачиваются в нижележащие слои.
Промежуточная зона занимает пространство между самым высоким уровнем грунтовых вод (включая и зону капиллярного поднятия), и наинизшим уровнем, соответствующим засушливым периодам. Эта зона характеризуется периодическим смачиванием и осушением. Вместе с изменением уровня грунтовых вод изменяется дебит источников и качество воды. Изменение режима грунтовых вод имеет большое практическое значение при решении ряда народнохозяйственных задач, и поэтому его изучению уделяется огромное внимание. При решении водоснабжения какого-либо населенного пункта необходимо знать минимальный предел колебаний уровня грунтовых вод, ниже которого и следует закладывать эксплуатационные скважины и колодцы. В противном случае они будут осушены в маловодные годы.

    Безнапорные межпластовые воды
    Иногда выделяются безнапорные межпластовые воды, отличающиеся от грунтовых вод лишь тем, что они находятся между двумя выдержанными водоупорными пластами. Питание их происходит не на всей площади распространения водоносного слоя, а только в месте выхода его на поверхность. Обычно такие воды развиты в условиях расчлененного рельефа и залегают выше базиса эрозии (местной гидрографической сети). Они не заполняют полностью водоносного слоя, не имеют соприкосновения с водонепроницаемой кровлей и характеризуются свободной ненапорной поверхностью. На береговых склонах оврагов и рек они часто образуют источники или родники.

    Напорные или артезианские межпластовые воды
    Чаще всего напорные воды встречаются при синклинальном и моносинклинальном залегании горных пород. Водные слои в синклинальном случае располагаются между двумя пластами водонепроницаемых пород и изогнуты в виде мульды или чаши. Областью питания подземных вод в этом случае являются места выхода водоносных слоев на поверхность. Вода, поступая в водопроницаемые слои, движется к центральным частям мульды и заполняет весь водоносный слой, находясь под гидростатическим давлением. Плоскость, проходящая через области питания, определяет высоту напора воды в данном месте. Этот напорный уровень называют пьезометрическим уровнем, выше которого вода не может подняться.

    Артезианские бассейны
    Геологические структуры более или менее значительных размеров, содержащие в себе напорные межпластовые воды, называют артезианскими бассейнами. Они содержат большие запасы воды хорошего качества, которая используется в городах для питьевых и технических целей.

    Благодаря сложному геологическому строению территория Ульяновской области богата водными ресурсами. Здесь имеется большое количество подземных вод, приуроченных к различным стратиграфическим горизонтам.

    На территории области можно выделить следующие водоносные горизонты: четвертичные, третичные, верхнемеловые, нижнемеловые, юрские.

    Мы рассмотрим водоносные горизонты, которые имеют большое значение в водоснабжении области: четвертичные, третичные, верхнемеловые и юрские.

    Наше знакомство мы начнем с юрских отложений, которые выходят на севере нашей Ульяновской области и протягиваются узкой полосой вдоль р. Волга до г. Ульяновска. В этих отложениях располагаются два водоносных горизонта - нижнекелловейский и волжско-валанжинский. По направлению на юго-запад минерализация юрских вод возрастает, у с. Малые Ундоры эти воды являются железистыми. На территории вокруг с. Ундоры и курортной зоны санатория им.В.И. Ленина выходят 13 минеральных источников питьевой воды. Подробный анализ и мониторинг осуществляется за источниками № 1, № 2, № 3, № 4, № 5, № 6, № 7. Главный источник № 1 - находится в Малиновом овраге. По химическом составу вода относится к гидрокарбонатно-сульфатному, кальциево-магниевому типу, слабоминерализованная, температура воды - +7°С, pH 6,7. Ундоровская минеральная вода, содержащая органические вещества, является аналогом известной воды "Нафтуся" Трускавецкого курорта, а по ряду лечебных факторов превосходит ее. "Волжанка" способна оздоравливать страдающих желудочно-кишечными заболеваниями, болезнями почек, печени, поджелудочной железы, мочеполовой системы. Последние исследования, проведенные в научно-исследовательском центре г. Обнинска, открыли новые лечебные возможности Ундоровской минеральной воды в лечении заболеваний щитовидной железы. На территории санатория им.В.И. Ленина пробурена скважина из средне-каменноугольного водоносного горизонта. Вода из этого горизонта содержит бромно-хлоридные натриевые рассолы, особенностью этого рассола является повышенное содержание галогеноводородов брома (Br) - 0,098 г/л и борной кислоты H3BO3 - 0,1120 г/л. Минеральные рассолы используются при лечении нервной системы и некоторых других заболеваний.

    Нижнемеловые водоносные горизонты
    В нижнемеловых отложениях имеются несколько горизонтов, приуроченных к готеривскому водоносному горизонту, воды из этих слоев сильно минерализованы и не пригодны к питью.

    Барремский водоносный горизонт
    Выходы вод баррема имеются в бассейне р. Свияга и р. Волга, во многих местах волжского склона воды данного горизонта вызывают заболачивание, способствуя развитию оползней. Воды очень часто минерализованы сульфатами. Для питья барремские воды не пригодны.

    Аптский водоносный горизонт
    Залегает в толще битуминозных сланцеватых глин, разгрузка идет по аптской плите (выдержанный слой сланцеватого известкового песчаника от г. Ульяновска до с. Мордово). Разгружаясь на Волжском косогоре, воды аптского горизонта вызывают образование заболоченностей и способствуют развитию и образованию оползней. Вода этого горизонта характеризуется повышенной минерализацией с сильным привкусом железа.

    Альбский водоносный горизонт
    Водоупором данного горизонта служат глины нижнего альба. Этот водоносный горизонт является наиболее постоянным и водообильным из нижнемеловых отложений. Его воды используются в районе г. Ульяновска, г. Сенгилея, пос. Цемзавода, с. Елаура, с. Русской и с. Мордовской Бектяшка посредством неглубоких шахтных колодцев и каптажных родников. Вода имеет удовлетворительные качества в питьевом отношении.

    Надальбский водоносный горизонт
    Питает огромное количество родников и истоков многочисленных малых рек преимущественно в северной и центральной части Ульяновской области. В бассейнах р. Суры и р. Барыша водами из этого водоносного горизонта пользуются следующие селения: Еделево, Кезьмино, Чилим, Белый ключ, Лава, Кадышево, Котяково, Горенки, Никитино, Кондорать, Карсун, Белозерье, Базарный Урень, Теньковка, Языково. В бассейне р. Свияга из надальбского горизонта питаются села: Белый Ключ, Большие Ключищи, Елшанка, Ивановка, Соловьев овраг, Тушна, Алешкино, Новодевичье, Бекетовка, Климовка. На юге области южнее г. Сызрань в Радищевском районе из этого же горизонта питаются следующие населенные пункты: Ореховка, Мордовская Карагужа. Воды этого горизонта слабо минерализованы и обладают хорошими питьевыми качествами.

    Верхнемеловые водоносные горизонты
    Содержат два водоносных горизонта - верхнесантонский и маастрихтский, характеризуются большим дебитом и хорошими вкусовыми качествами воды, пригодной для хозяйственных и питьевых целей.

    Верхнесантонский водоносный горизонт
    Водоносными являются песчанистые, слюдистые, рыжие мергели, богатые глауконитом и желваками фосфоритов. Воды данного горизонта циркулируют в трещиноватых породах, они легко дренируются. Верхнесантонский горизонт развит почти на всей территории правобережья Ульяновской области, за исключением северной части. В бассейне р. Суры водами этого горизонта питаются родники в с. Сурский Острог, Семеновском поселке, в с. Большое Шуватово. В бассейне р. Свияга верхнесантонский горизонт питает родники в селах: Солдатская Ташла, Лукино, Репьевка, Стоговка. В бассейне р. Усы - в селах Тереньга, Языково, Старый Тукшум, Новый Тукшум, Большая и Малая Борла. Воды верхнесантонского горизонта обладают хорошими питьевыми качествами и относятся к гидро-карбонатно-кальциевому типу. Местное население использует эти воды посредством строительства каптажа и строительством шахтных колодцев.

    Маастрихтский водоносный горизонт
    Приурочен к нижней зоне белого писчего трещиноватого мела. Водоупором данного горизонта является толща серых и темно-зеленоватых плотных глин маастрихтского яруса. В средней части крутых склонов выходят многочисленные обильные родники. Именно верхнемеловые горные породы и родники маастрихтского яруса дали названия многим селениям в нашей области, например: Белый Ключ, Гремячий Ключ, Белоключье. Воды этого горизонта прозрачны, вкусны. Тип воды - гидрокарбонатно-кальциевый, pH 7, t H2O - 6-7°С. Маастрихтский водоносный горизонт питает истоки многих рек Ульяновской области: в бассейне р. Суры: Аргаш, Сухой Аргаш и Ташла; в бассейне р.Барыш: Урень, Майна, Карсунка, Вешкайма; в бассейне р. Свияги: Гуща, Ташелка, Ерыкла; в бассейне р. Волги: верховья Тушны, Сенгилейки, Атцы. К югу от с. Тушна в Сенгилеевском районе Ульяновской области располагается родник "Святой Параскевы", приуроченный к выходам меловых горных пород маастрихтского яруса. Данный родник более двухсот лет в народе считается святым.

    Палеогеновые водоносные горизонты
    Широко развиты в правобережной части Ульяновской области. В северных районах они безводны, а в центральных и южных содержат ряд обильных горизонтов, имеющих большое значение в водоснабжении населения. Палеогеновые отложения содержат 4 водоносных горизонта: нижнесызранский, верхнесызранский, саратовский и камышинский.

    Нижнесызранский водоносный горизонт
    Приурочен к толще опок, трепелов и песков. Нижнесызранские опоки обладают неравномерной трещиноватостью. Это обстоятельство вызывает крайне неравномерное распределение вод в толще отложений. Дебит родников имеет резкие колебания в зависимости от времени года, что связано с выше указанной быстротой циркуляции вод данного горизонта. Водоносный горизонт здесь быстро дренируется из-за легкой циркуляции вод в трещиноватых породах. Выходы этих родников наблюдаются в верховьях р. Барыша, р. Сызранки, р. Свияги. Вода обладает удовлетворительными питьевыми качествами и используется населением в качестве родников и шахтных колодцев.

    Верхнесызранский водоносный горизонт
    Представлен главным образом кремнисто-глинистыми глауконитовыми песчаниками, которые сильно трещиноваты и содержат воду. Воды этого горизонта имеют хорошие питьевые качества, они прозрачны, слабо минерализованы, имеют низкую температуру 5-7°С. Выходы этих родников наблюдаются в верховьях р. Барыш, р. Свияги, р. Сызрани, р. Усы и р. Инзы. Вода используется местным населением в качестве родников и каптажных колодцев.

    Саратовский водоносный горизонт
    Развит в толще переслаивающихся песков и песчаников, водоупором служат глауконитовые глинистые песчаники. Родники из этого горизонта разгружаются на склонах балок из песчаной толщи в виде сильных струй. Воды саратовского горизонта принимают большое участие в питании истоков р. Барыш, р. Свияги, р. Сызрани, р. Инзы.

    Камышинский водоносный горизонт
    Залегает в толще сильно трещиноватых глауконитовых песчаников и опок, а также мелкозернистых кварцевых песков, слагающих нижнюю часть камышинских отложений. Водоупором служит твердая плита из песчаника. Воды этого горизонта слабо минерализованы, прозрачны, температура воды - 6-7°С. Ими питается большое количество населенных пунктов, расположенных в районах Сурской шишки и Свияжского плато, где берут начало родники, являющиеся истоками р. Суры, р. Инзы, р. Барыш, р. Свияги, р. Сызрани и Усы.

    Водоносные горизонты неогеновых отложений
    На территории области водоносные горизонты неогеновых отложений развиты в восточной части левобережья и приурочены к прослоям и линзам мелкозернистых глинистых песков, обладающих слабой водоотдачей. В связи с этим производительность данного горизонта очень мала. Качество неогеновых вод невысокое, они высокоминерализованы, содержат большое количество хлоридов и сульфатов.

    Водоносные горизонты четвертичной системы
    Содержат ряд водоносных горизонтов левобережья области, приурочен к террасовым отложениям р. Волги. Аллювиальный водоносный горизонт правобережья приурочен к террасовым и пойменным отложениям р. Суры, р. Барыша, р. Свияги, р. Сызранки и их притоков.

    Левобережье области и аллювиальный водоносный горизонт
    Водовмещающими породами являются мелкозернистые пески, обогащенные в нижних частях толщи гравелисто-галечным материалом. Водоупорным ложем служат неогеновые, нижнемеловые и юрские глины. В связи с созданием Куйбышевского водохранилища и подъема уровня воды образовался подпор аллювиальных вод левобережья. Вода слабо минерализованная, гидрокарбонатно-кальциевая.

    Воды аллювиальных отложений правобережья области
    Приурочены к террасовым и пойменным отложениям р. Суры, р. Барыша, р. Свияги, р. Сызрани, р. Усы и их притоков. Водовмещающими породами являются песчаные и глинисто-песчаные отложения пойм, террас и днищ балок. Водоупорным ложем служат коренные отложения, в которых врезаны речные долины. Питание происходит за счет инфильтрующихся атмосферных осадков и вод коренных отложений, в период паводков аллювиальные воды получают дополнительное питание из рек. Вода отличается хорошими питьевыми качествами, имеет незначительную минерализацию и относится к гидрокарбонатно-кальциевым водам. Водой из аллювиальных отложений снабжаются многочисленные населенные пункты, расположенные на надпойменных террасах.


    Воды делювиальных отложений и покровных суглинков
    Представлены в основном суглинками, иногда глинами, реже песками, супесями и щебеночными породами. Содержат некоторое количество воды, запасы которой пополняются за счет инфильтрации атмосферных осадков и вод коренных пород, перекрытых ими. На пологих склонах делювиальные суглинки часто играют роль водоупорного чехла, подпирающего воды нижележащих коренных пород, благодаря чему родники на таких склонах имеют напорный характер и выходят на повышенных отметках относительного дна долины или балки. Качество делювиальных вод обычно низкое в питьевом отношении, они сильно минерализованы и легко загрязняются бытовыми отходами. Используются местным населением только для хозяйственных нужд.