Лекція за курсом «Гідрогеологія»
В. І. Вернадський писав про поширення води в земній корі: «Вода охоплює всю земну кору, проникає наскрізь - як пленчатая губка і як пар завжди і всюди, де б ми не стали проникати в Земну кору, ні стали бурити, ми зустрінемо, в кінці кінців, воду в крапельно-рідких її масах ». Справді, в земній корі не можна знайти гірські породи, які не укладали б в собі воду. Вода знаходиться у всіх геосферах земної кори, кожна з яких характеризується певним рівновагою молекул і атомів, які прагнуть прийняти те чи інше стійке динамічний стан. У різних оболонках зустрічаються агрегатні стани води, обумовлені відповідними температурами і тисками. В умовах земної кори температура змінюється від - 93 0 С (мінімальна зафіксована в Антарктиді) до приблизно 1200 0 С (температура магматичного розплаву). А тиск від сотих часток у верхніх шарах тропосфери до 3000 МПа на нижній межі земної кори. Тому вода зустрічається в різних агрегатних станах: рідкому, газоподібному, твердому, фізично або (і) хімічно пов'язаному з гірськими породами, у вигляді дисоційованому молекул.
В.И.Вернадским на фактах наявності води (в різних видах) практично у всіх оболонках Землі (мантія, земна кора, атмосфера, біосфера) і принциповою можливістю постійного водообміну між суміжними оболонками Землі було сформульовано принципове наукове положення про єдність природних вод Землі. Відповідно до цього положення гідросфера планети повинна розглядатися як єдина динамічна система, відкрита в бік космосу і внутрішніх областей Землі (мантія, ядро). Гідросфера грала і відіграє основну роль в геологічній історії Землі, в формуванні фізичної, хімічної, а, отже, і геологічного середовища, клімату, у виникненні і розвитку життя на Землі.
Природні води Землі єдині, але єдність їх суперечливо. Підземна гідросфера, що охоплює континентальну і океанічну земну кору, містить воду в різних фазах (рідкому, твердому, газоподібному) і станах (вільний, пов'язане), у вигляді розчинів різної мінералізації і температури. Підземна гідросфера формується і функціонує при взаємодії протилежних начал: поверхневих (екзогенних) і глибинних (ендогенних) факторів, що визначають стійкість стану і мінливість гідросфери.
Поверхневі (екзогенні) фактори. кількість і склад атмосферних опадів, величина їх випаровування, температурний режим на поверхні землі (наприклад, при негативних температурах грунтового покриву інфільтрація рідких атмосферних опадів в надра припиняється). Ендогенні фактори. пари води з мантійних глибин піднімаються у напрямі до земної поверхні, вода, що виділяється при дегідратації мінералів, вода з магматичних розплавів.
Взаємодією ендогенних і екзогенних факторів визначається стійкість, мінливість і динамічність гідросфери. В історико-геологічному сенсі єдність і боротьба цих протилежностей становить основу внутрішнього розвитку підземної атмосфери, є джерелом її саморуху і саморозвитку.
Зміни підземної гідросфери можуть бути незначними кількісними (наприклад, швидкість руху підземних вод зменшується зі збільшенням глибини, а мінералізація збільшується) і корінними якісними (наприклад, перехід речовини з рідкого у твердий). Але в цілому для ПГ характерні стрибкоподібні зміни-переходи кількісних змін у якісні. Вони можуть бути різкими (вода-лід, вода-пар) і поступовими (зміна сольового і газового складу)
Різноманіття форм переходу кількісних змін у якісні відображає характер і шляхи розвитку підземної гідросфери.
Розвиток ПГ циклічно і поступально. Циклічність процесів виражається в водообмене підземної гідросфери з наземної (повінь, межень), в заміщенні магматогенних і седиментаційних вод інфільтрогенних, в переході ПВ з однієї фази або стану в інший та навпаки. Кожен наступний цикл або круговорот заперечує попередній при збереженні певної наступності. Формується якісно нова і більш висока ступінь розвитку гідросфери, яка відбувається по спіралі. Це відображає діалектичний закон заперечення заперечення, а також історичну спадкоємність у розвитку підземної гідросфери.
Під гідросферою розуміють водну оболонку Землі, що об'єднує води Світового океану, підземні води (що містяться в земній корі), а також поверхневі води суші (річки, озера, болота, включаючи сніговий покрив і льодовики). При цьому верхня межа гідросфери є одночасно нижньою межею атмосфери, а нижня межа гідросфери збігається з кордоном земної кори і мантії.
Основними внутрішніми процесами гідросфери є кругообіг води і водообмін, що відбуваються на різних її рівнях і в різних масштабах.
Кругообіг води - складний процес, що складається з випаровування, перенесення водяної пари повітряними потоками, випадання атмосферних опадів, поверхневого і підземного стоку вод суші в Світовий океан.
Природні води при зміні зовнішніх умов (температура, тиск) змінюють свої фізичні властивості, стан і можуть переходити з однієї геосфери в іншу. Щорічно 22% сонячної енергії витрачається на випаровування вологи з поверхні гідросфери, суші, рослинного покриву.
Утворені при випаровуванні пари потрапляють в атмосферу і в інший термодинамічної обстановці при наявності ядер конденсації, конденсуються і випадають на земну поверхню у вигляді атмосферних опадів.
Випали опади частково випаровуються, частиною стікають в річки і моря, частиною проникають в літосферу. Така загальна схема кругообігу води в природі.
Кругообіг води з плином часу змінюється і кількісно, і якісно, тому що розподіл суші і Світового океану не залишається постійним, змінюється клімат і кількість опадів.
В даний час виділяють малий і великий кругообіг води, що включає внутрішньоматерикові круговорот.
Кількісним виразом кругообігу води в природі є водний баланс, який математично описується рівнянням водного балансу. Основними елементами (параметрами) водного балансу є:
випаровування - Z, опади - Х, стік - Y = Yпов-ти + Yподзем.
Рівняння водного балансу для внутрішнього (малого) кругообігу: ZБ = ХБ (б - безстічні області).
Рівняння водного балансу для великого кругообігу (на суші): ZС = ХС - Y (з - суша).
Тобто згідно з цією формулою, кількість води, що випаровується з суші, і має стік в Світовий океан, відповідає опадам за вирахуванням стоку.
Рівняння водного балансу для великого кругообігу (для Світового океану): Zм = ХМ + Y (м - світ. Океан)
Рівняння водного балансу для ділянки поверхні землі (суша), обмеженого довільним контуром. X + K ± # 8710; Y - Z1 - Z2 ± # 8710; W = ± # 8710; U, де
X - атмосферні опади, К - конденсація, ± # 8710; Y - різницю припливу і відпливу поверхневих вод, Z1 - випаровування з водної поверхні, Z2 - сумарне випаровування з поверхні суші (в тому числі транспирация рослинністю), # 8710; W - різниця між просочуванням поверхневих вод через поверхню землі і припливом підземних вод на поверхню землі, # 8710; U - зміна запасів води по площі балансового ділянки.
У внутрішньоматериковому круговороті (який є частиною великого) враховується надходження «місцевих» атмосферних опадів за рахунок випаровування з поверхні розглянутого ділянки суші. За розрахунками М.И. Будико кількість «місцевих» атмосферних опадів суші становить 14% від загальної суми опадів. Основну роль у формуванні опадів на суші грає випарувалася океанічна волога.
Крім розглянутих круговоротов існують і інші типи. наприклад,
Океан - випаровування - опади - інфільтрація - підземний стік - річки - океан.
Океан - иловая вода - вода в осадової породи - тріщинувата підземна вода - джерело з раніше похованою водою.
Океан - иловая вода - вода стратосфери - метаморфизм - кристалічні метаморфічні породи.
Характеристика основних елементів водного балансу:
Х - атмосферними опадами називають рідкі або тверді продукти конденсації водяної пари в атмосфері, що випадають на земну поверхню у вигляді дощу, снігу і граду або осідають у вигляді роси, інею і мряці. Кількість атмосферних опадів, що надійшли на поверхню за певний проміжок часу, виражається обсягом води (див 3. л, м 3) або шаром (мм, см, м). Кількість опадів, що випала на яку-небудь поверхню протягом року, називається річною сумою опадів (мм / рік).
Для того щоб порівняти кількість опадів по різних територіях, вводять величину - норму річних опадів - це середнє значення річних сум за багаторічний період такої тривалості, коли подальше збільшення періоду спостережень істотно не змінює її значень:
Де Х0 - норма річної суми опадів (мм / рік); Хi - річні суми опадів конкретних років (мм / рік); N - число років спостережень.
Результатом є побудова карт ізогієта (ізогієта - лінії, що з'єднують точки з однаковою кількістю опадів).
К - Конденсація утворюється, якщо число молекул, поглинених поверхнею, перевищує число молекул, що відірвалися від неї. Величина, зворотна випаровуванню.
Z - під випаровуванням води розуміють процес переходу молекул Н2 Про при досягненні швидкості, достатньої для подолання сил молекулярного тяжіння з поверхні рідини або твердого тіла в атмосферу (перехід речовини з рідкого або твердого стану в газоподібний). При розрахунках водного балансу поверхні суші розглядається 3 основних види випаровування: випаровування з водної поверхні, транспирацию (відбір вологи корінням рослин) сумарне випаровування з поверхні суші (воно включає в себе випаровування з ґрунту, транспирацию рослинності, випаровування з листя і стебел).
Величина випаровування зазвичай виражається шаром води (мм), випарувався з розглянутої поверхні за одиницю часу (мм / сут, мм / міс, мм / рік) або об'ємом води. Розподіл величин випаровування по поверхні земної кулі залежить від кліматичних зон. Сумарне випаровування з поверхні суші тісно пов'язане зі ступенем зволоження земної поверхні, яке характеризується коефіцієнтом зволоження:
Де Х0 - норма суми опадів; Z0 - максимально можливе випаровування (випаровуваність).
Y - поверхневий стік - це процес руху води, що відбувається в формі її стікання по земній поверхні. Існують наступні види: схиловий, тальвеговий (балки, балки), річковий стік. При воднобалансових дослідженнях суші зазвичай розглядається сумарний стік.
Кількісно річковий стік може бути охарактеризований в будь-якому поперечному руслі річки об'ємом води, які пройшли за певний період часу (м 3. км 3) або витратою води (л / с, м 3 / с). Величина річкового стоку може бути охарактеризована модулем стоку - це витрата стоку (л / с) з 1 км 2 площі водозбору.
Де Q - витрата води (м 3 / с); F - площа водозбору (л / с * км 2)
Також може бути охарактеризований шаром стоку:
Де Y - шар стоку (мм / рік), Q - обсяг стоку (м 3 / рік); F - площа водозбору (м 2).