Подземные воды

Подземные воды, в отличие от поверхностных, отличаются небольшим количеством органических веществ и значительным содержанием минеральных солей, а иногда и растворенных газов (H₂S, CO₂, CH₄). При наличии гидравлической связи между поверхностными и подземными водами последние отличаются повышенной окисляемостью. Наблюдается прямая зависимость между глубиной залегания подземных вод и степенью их минерализации. Подземные воды часто характеризуются значительной жесткостью и повышенным содержанием железа, марганца, фтора.

Подземные воды — связующее звено для всей гидросферы Земли. Они же замыкают геологический круговорот воды. Однако о подземных водах известно меньше всего, особенно о глубоко залегающих, поэтому и оценки массы этих вод сильно расходятся. Преимущественно учитывают запасы воды только в верхнем 2—3, редко 5-километровом слое от поверхности. Бурением скважин экспериментально доказано, что жидкая вода в недрах Земли может существовать и значительно глубже 5 км, а в отдельных случаях глубже 10 км.

С глубиной температура в земной коре растет, и в ней все больше образуется парообразной воды. На значительной глубине при высокой температуре вся вода переходит в пароводяную смесь, а в надкритических условиях (Надкритические условия для воды возникают при давлении 21,8 МПа (218 атм) и температуре 374 °С для пресной воды, 425 °С и выше для насыщенных растворов) — в особое состояние, когда стирается разница между паром и водой. При этом молекулы воды приобретают скорость, характерную молекулам газов, а плотность ее приближается к плотности жидкости. Возникает своего рода водяная плазма.

Подземные воды нашей планеты, находящиеся в жидком и парообразном состоянии, оцениваются величиной 1 • 10⁵ тыс. км³ или около 7 % массы всей гидросферы. Остальная вода в количестве 8 • 10⁸ млрд т (или в пересчете на жидкую воду 8 · 10⁵ тыс. км³) в земной коре является химически связанной, и ее к гидросфере не относят.

Существует много разных оценок массы подземных вод как жидких, так и химически связанных. Но точность этих оценок намного ниже точности подсчета массы Мирового океана, которая близка к 2 %.

Подземные воды образуют разнообразные водоносные системы. Простейшая из них — пористый или трещиноватый пласт, заполненный водой и залегающий на водоупорном слое или между водоупорными слоями. Такие пласты нередко образуют взаимосвязанные сложные системы разных масштабов по площади и глубине залегания.

В толще земной коры по ее вертикальному разрезу выделяют несколько зон по интенсивности обмена с другими составляющими гидросферы, в основном с поверхностными водами. До глубины 0,1—0,5 км находится зона интенсивного (или активного) водообмена подземных вод, в первую очередь верховодка, и грунтовые воды (рис. 2.10). Воды этой зоны тесно связаны с наземными водоемами — реками, озерами, болотами, океаном. Для них характерна наибольшая скорость движения, достигающая нескольких сантиметров в секунду. В среднем период полного обмена с поверхностными водами оценивается годами и столетиями.

Ниже, до глубин 1,5—2 км, находится зона затрудненного (замедленного) водообмена. Скорость движения воды здесь из-за уменьшения пористости и трещиноватости значительно меньше, а средние темпы возобновления запасов воды составляют десятки и сотни тысяч лет. Связь с поверхностными водами затруднена.

Рис. 2.10. Схема залегания подземных вод:

А — верховодка, Б — грунтовые воды, образующие зону активного водообмена, В — безнапорные межпластовые воды, Г — напорные подземные воды, 1 — проницаемые породы, 2 — непроницаемые породы — водоупоры, 3 — буровые скважины и уровни воды в них, одна из них — артезианская — фонтанирует, 4 — уровни воды: а — свободный (у грунтовых вод), б — напорный (пьезометрический)

Глубже 2 км лежит зона пассивного водообмена, где средние темпы возобновления ресурсов подземных вод могут исчисляться миллионами лет и где нередко оказываются захороненными воды древних морских бассейнов.

Примерно в том же порядке подземные воды располагаются и по степени содержания растворенных солей — минерализации. В активной зоне водообмена обычны пресные воды с минерализацией до 0,1 % (1 г/л) и преобладанием гидрокарбонатного отрицательного иона НСОз. В зоне затрудненного водообмена чаще встречаются солоноватые и соленые воды с минерализацией 1—3,5 %, в таких водах часто преобладает сульфат-ион SO₄. В самых глубоких слоях в зоне пассивного водообмена обычны воды с минерализацией более 3,5 % и преимущественно хлоридным составом, близким к морской воде. Кроме того, с глубиной появляется все больше термальных вод.

Огромные водоносные системы и бассейны найдены даже в самых засушливых и пустынных районах мира. Так, в величайшей пустыне Африки — Сахаре выявлено 10 крупных бассейнов подземных вод.

Подземные воды, как и все другие составляющие гидросферы, имеют свою растворенную «атмосферу». С повышением давления растворимость газов растет. В подземных водах на глубинах 1—4 км обнаружены воды с содержанием газов до 500 см³/л, а в некоторых районах Западной Сибири даже 1 000—1 500 см³/л. При этом в океане в среднем содержится только 20 см^3/л газов. Общая масса газов, растворенных в подземных водах, видимо, превышает массу газов, растворенных в Мировом океане, и приближается к массе наземной атмосферы.