Свойства грунтов. Особенные условия существования грунтовых вод в толщах рыхлых пород заставляют нас прежде всего остановиться на некоторых физических свойствах этих грунтов. Среди этих свойств особенное значение имеют: пористость пород, их влагоемкость, капиллярные свойства и водопроницаемость.
Пористость грунтов. Отношение пустот в грунте к объему всего сухого грунта называют пористостью грунта. Пористость обычно выражается в процентах. Определить ее можно так: сосуд объемом в 1 л нужно наполнить сухим песком. Затем осторожно из мензурки приливать воду в сосуд с песком до полного насыщения всего песка влагой. Допустим, что для этого требовалось 250 см3 воды. Отношение 250/1000=0,25, или 25%, как раз и будет определять пористость взятого нами песка.
Пористость различных рыхлых пород далеко не одинакова. Так, у крупного речного песка пористость выражается приблизительно 15—25%, у гравия — 35%, у глины — 50—55%, у торфяного грунта — 80% и т. д.
Влагоемкость грунтов. От пористости пород в значительной степени зависит и их влагоемкость, т. е. способность породы удерживать в себе то или другое количество воды. Наименьшей влагоемкостью отличаются плотные каменные породы, а наибольшей — обломочные рыхлые породы, что хорошо видно из приведенной таблицы.
Капиллярные свойства грунтов. Огромную роль в жизни грунтовых вод играют размеры и форма тех зерен (или частичек), из которых состоит обломочная порода. Чем крупнее зерна, тем крупнее просветы между ними, и наоборот (рис. 98). А размеры просветов определяют капиллярные свойства породы.
Из физики известно, что высота поднятия воды в капиллярной трубке обратно пропорциональна диаметру трубки. Так, для трубки диаметром в 1 мм высота поднятия воды (при 15° С) равна 0,29 см, при диаметре 0,1 мм — 29 см, при диаметре 0,01 мм — 2 м.
Опыты, производившиеся над различными грунтами (рис. 99), показали, что высота поднятия воды в грунтах зависит от размеров зерна (или, точнее, от размеров тех просветов, которые между этими зернами образуются). Так, высота поднятия воды в обломочных породах, диаметр зерна которых колеблется от 1 до 0,5 мм, равна 1,31 см, для зерен диаметром 0,2—0,1 мм — 4,82 см, для зерен диаметром 0,1—0,05 мм — 10,5 см и т. д.
Различное состояние воды в грунтах. Вода в грунтах может находиться в трех основных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Твердая вода может находиться только при температурах ниже 0°. Она
неподвижна и в данном случае нас мало интересует. Гораздо важнее жидкая и газообразная вода, которая находится в движении.
Жидкая вода в грунтах может быть в виде пленочной и гравитационной.
Пленочная вода, как мы уже имели случай упоминать, обволакивает каждую частичку грунта. Толщина водяной пленки зависит от влажности породы, но имеет предел, который определяется величиной молекулярных сил. (Минимальная толщина пленки равна диаметру молекулы воды). Пленочная вода движется, как и жидкость, но передвижение ее не зависит от сил тяжести. Пленочная вода удерживается каждой частицей грунта с большой силой и может быть удалена только с трудом (например, путем испарения).
Гравитационная вода в отличие от пленочной не попадает в радиус эффективного действия молекулярных сил, а движется вниз под влиянием сил тяжести через поры, находящиеся между зернами (или частичками) породы. Скорость передвижения гравитационной воды во много раз превосходит скорость движения пленочной воды. Гравитационная вода движется в сторону накло-на поверхности водоупорного пласта и только под влиянием гидростатического давления может иметь и восходящее движение.
Само собой разумеется, что гравитационная вода представляет для нас наибольший интерес, ибо она как раз и составляет главную массу подземных потоков, озер, источников и колодцев.
Газообразная вода может находиться только в порах грунта (в просветах между зернами породы). В тех случаях, когда водяные пары насыщают «подземную атмосферу», упругость водяных паров в просветах и порах влажной породы будет зависеть только от температуры. Последнее обстоятельство имеет большое значение в процессе увлажнения грунта путем конденсации водяных паров, поступающих из воздуха.
Согласно наблюдениям, производившимся в окрестностях Одессы проф. А. Ф. Лебедевым, почва указанным путем получает в год от 15 до 25% общего количества выпадающих здесь атмосферных осадков. Эта величина настолько значительна, что заслуживает большого внимания. В пустынях и полупустынях ночью условия конденсации паров в почве особенно благоприятны. Таким образом, было доказано, что значительная часть грунтовых вод образуется не только из атмосферных осадков, но также и путем непосредственной конденсации в грунте водяных паров из воздуха.
Как бы переходом между жидкой и газообразной водой в грунтах является вода гигроскопическая. Гигроскопическая вода окружает каждую частицу породы не сплошным слоем изолированных молекул.
В тех случаях, когда водяных молекул бывает много, они сливаются в сплошную пленку, толщина которой равна диаметру одной молекулы.. Это так называемая максимальная гигроскопичность, которая наблюдается при относительной влажности «подземной атмосферы» в 100%. Переход водяного пара в гигроскопическую воду сопровождается выделением тепла. Гигроскопическая вода перемещается из одних слоев грунта а другие, только переходя в парообразное состояние.
Парообразная и гигроскопическая вода особенный интерес представляет для почвоведения.
Происхождение грунтовых вод. Человек с давних пор широко использовал грунтовые воды в хозяйственных целях, а потому, естественно, очень давно стал задумываться над их происхождением. Первые «теории» происхождения грунтовых вод носили чисто фантастический характер. Говорилось, например, что земля «родит» воду, что в земле существуют особые неиссякаемые озера, откуда вода выходит на поверхность. Существовало даже и такое мнение, что вода океанов проникает в грунт материков и дает грунтовую воду. Последний взгляд пользовался особенно широким распространением и держался в науке почти до начала XVIII в.
Наряду с фантастическими гипотезами существовали объяснения, приближающиеся к истине. Так, по мнению Аристотеля, дождевые и снеговые воды частью испаряются, частью впитываются горными породами и образуют источники. Еще ближе к истине подходил римлянин Марк Витрувий Поллин, который говорил, что грунтовые воды образуются повсюду из вод атмосферных осадков. Однако только в начале XVIII в. эти объяснения стали проникать в европейскую науку.
В конце XVII в. (1686 г.) французский физик Мариотт впервые, на основании тщательных наблюдений, сумел доказать, что грунтовые воды происходят из атмосферных осадков, просачивающихся в землю. Выводы Мариотта, дополненные и уточненные последующими исследователями, все прочнее и прочнее входили в науку и в настоящее время упрощенно могут быть выражены в следующем виде. Вода, падающая на сушу в виде атмосферных осадков, частью стекает в ручьи и реки, частью испаряется и частью просачивается в грунт. Вода, проникшая в грунт, доходит до водоупорного слоя, и здесь ее движение вглубь прекращается. Накопляясь на поверхности водоупорного слоя, она обильно пропитывает вышележащие породы и образует так называемый водоносный слой. Эта теория, объясняющая происхождение грунтовых вод путем просачивания в глубь земли вод атмосферных осадков, носит название инфильтрационной.
Однако указанный способ происхождения грунтовых вод нельзя считать единственным. Трудами наших русских ученых (А. Ф. Лебедев и другие) было доказано, что подземные воды могут получаться еще путем конденсации водяных паров непосредственно в толще грунтов. Грунтовая вода, образованная путем конденсации водяных паров атмосферы непосредственно в грунтах, носит название конденсационной.
Зеркало грунтовых вод. Мы уже говорили о том, что подземные воды, достигнув водоупорного слоя, прекращают свое движение вглубь и, собираясь на поверхности водоупорного слоя, образуют так называемый водоносный слой или водоносный горизонт. Водоносный слой снизу ограничен поверхностью водоупорного слоя, форма которой может быть весьма различна (рис, 101). Верхняя поверхность водоносного слоя обычно бывает плоская и носит название «зеркала» грунтовых вод. Это «зеркало» мы имеем возможность видеть в любом колодце.
Строго говоря, зеркало грунтовых вод имеет горизонтальную поверхность только на небольших сравнительно однородных пространствах. На больших же участках, при различии пород, различии геологического строения и рельефа горизонтальность зеркала в большей или меньшей степени нарушается. Возьмем простейший пример: ряд песчаных дюн, приблизительно однородных по своему строению. Зеркало грунтовых вод здесь будет (несколько ослаблено) повторять форму рельефа (рис. 102).
Причины этого довольно сложны: большее уплотнение песков под гребнями дюн создает иные условия капиллярности, что способствует более высокому стоянию грунтовых вод; оказывает влияние также различная степень испаряемости и т. д. Приблизительно то же, только в более сложных формах, мы можем видеть и на других примерах (рис. 103). Последнее необходимо учитывать как при поисках мест для рытья колодцев, так особенно при сооружении подземных хранилищ, погребов, блиндажей и т. д.
Движение грунтовых вод. В тех случаях, когда водоупорный слой имеет форму обширного вогнутого бассейна, грунтовая вода, заполняя бассейн, приобретает характер подземного озера. Понятно, что ряд колодцев, вырытых в районе подобного озера, будет иметь зеркало на одном уровне (рис. 104). Но значительно чаще водоупорный слой бывает наклонен в ту или другую сторону. При отмеченных нами условиях грунтовые воды, подчиняясь силе тяжести, медленно движутся в сторону наклона, образуя подземный поток (рис. 105). Ряд колодцев, вырытых вдоль потока, имеют зеркала на разных глубинах. Понятно, что чем больше колодцев, тем точнее мы можем определить направление и характер подземного потока. В местностях, где нет колодцев или количество их недостаточно, забивают буровые скважины, опускают в скважины трубы и по высоте воды в трубах определяют характер подземного потока.
При изучении подземных потоков важно бывает определить не только направление, но и скорость потока. Для определения скорости течения потока применяется обыкновенная поваренная соль. Ее бросают в колодец в верхней части подземного потока, а потом определяют, через сколько времени соленая вода появляется в других, ниже расположенных колодцах. Раствор азотнокислого серебра (АgNO3) позволяет заметить даже ничтожную примесь хлористого натрия в воде исследуемых колодцев (получается ясный белый осадок хлористого серебра). Иногда для определения
скорости подземного потока вместо соли применяют бактерии, которые по своей малой величине легко проходят через поры грунтов. Скорость течения подземных потоков зависит от угла наклона водоупорного пласта и еще более от характера грунта. Так, в мелких песках скорость течения подземного потока достигает приблизительно 1 м в сутки, в крупных песках 2—3 и даже 5 м. В толще галечника, щебня и по трещинам твердых каменных пород подземные потоки движутся значительно быстрее, по нескольку километров в сутки. В глинах, наоборот, скорость проникновения воды даже вглубь не превышает 20 см в год, что и позволяет считать глину практически водонепроницаемой.
Источники. Источники образуются на месте выхода подземных потоков на земную поверхность. Источники (ключи, родники) по своему характеру могут быть весьма различны. В одних случаях это едва заметные ключики, иногда только увлажняющие почву. Места выходов таких источников можно узнать по характеру растительности (осока, тростник, хвощ, мхи). В других случаях это крупные источники, вода которых выбивает и сразу же образует значительный ручей. Однако нередки случаи, когда даже крупные источники не выходят на поверхность, а продолжают течь в толще грунта очень близко от земной поверхности. Подобные скрытые источники можно обнаружить по зарослям камышей, тростников и других водных растений. Действительно, если в таком месте вырыть небольшое углубление, то оно довольно быстро заполняется водой.
Источники с древнейших времен и до наших дней широко используются человеком. Это совершенно понятно, ибо они дают наиболее чистую и наиболее здоровую воду. Чтобы предохранить источник от загрязнения его закрепляют деревянным срубом, каменной кладкой или бетонными сооружениями. В местах, где поставщиками воды являются главным образом источники, их принимают в особые крытые бассейны, откуда по трубам они направляются на места их использования. Примеры подобных сложных сооружений мы можем видеть на южном побережье Крыма. Приблизительно так же используются крупные источники, дающие воду для снабжения городов, только сооружения здесь носят еще более сложный характер. Площадь питания подобных источников огораживается изгородью, куда не может заходить скот. Такая мера гарантирует здоровую воду источников.
Подземные потоки, прежде чем выйти на земную поверхность,
нередко проделывают большие и сложные пути под землей. Здесь прежде всего различают источники нисходящие и восходящие (рис. 106).
По температуре воды источники делятся на:
1) обычные, температура которых приблизительно равна средней годовой температуре данного
места,
2) холодные, температура которых ниже средней годовой, и
3) теплые, температура которых выше средней годовой.
Чем ближе подземный поток к земной поверхности, тем сильнее отзываются на нем колебания температуры воздуха. Так, годовые колебания достигают 5—10°, а в отдельных случаях и больше.
Холодные источники встречаются редко, и то главным образом в горах, где они питаются талыми водами снегов и ледников.
Теплые источники связаны чаще всего с местами недавнего вулканизма.
Особое место занимают так называемые артезианские колодцы. Пробитые на большую глубину буровые скважины дают выход глубоко лежащим подземным водам (рис. 107). Эти воды, находясь под сильным гидростатическим давлением, нередко бьют фонтанами и дают много воды (самые сильные — до 10—15 м3 в минуту).
Минеральные источники. Во время своих подземных перемещений грунтовые воды встречают на своем пути различные вещества, которые могут растворяться в воде. K числу таких веществ относятся известняки, гипсы, поваренная соль, углекислый газ, сероводород и многие другие. Чаще всего в грунтах встречаются известняки (СаСОз) и гипс (CaSO4). Вода, содержащая в растворе гипс или известь, почти не изменяет вкуса, но отличается тем, что плохо растворяет мыло (плохо мылится). Такую воду люди в общежитии называют «жесткой». При кипячении известь из воды выделяется и образует на стенках сосуда так называемую «накипь», которая всем хорошо известна.
Грунтовые воды, соприкасаясь с засоленными грунтами (в сухих степях и пустынях) или с залежами поваренной соли, растворяют эту соль и приобретают соленый вкус. Соленые источники и колодцы встречаются очень часто и являются хорошими показателями содержания соли в толщах грунтов той или другой местности. Примерами могут служить соленые источники и колодцы Соликамска, Березников, Илецкой Защиты и многие другие.
Нередко в подземных водах бывают растворены соли железа, углекислый натр, углекислый газ, сероводород и др.
Количество растворенных в воде солей и газов может быть различно. В тех случаях, когда растворенных солей и газов мало, вкус и запах воды не меняется и воду в этих случаях называют пресной. В тех же случаях, когда растворы на 1 л воды содержат не менее 1 г солей или газов, придающих воде различные вкусы и запахи,— воду называют минеральной, источники же, выделяющие минеральную воду,— минеральными источниками. В зависимости от химического состава минеральных источников их делят на группы:
Грунтовые воды в условиях вечной мерзлоты. За полярным кругом на глубине 50—100 см обычно залегает мерзлый горизонт, не проницаемый для воды. При этих условиях водоносный слой располагается над мерзлым горизонтом, т. е. у самой поверхности почвы. Столь высокое положение грунтовых вод создает исключительно благоприятные условия для заболачивания, что и наблюдается в тундрах в широких размерах.
Однако вечномерзлые горизонты встречаются не только за полярным кругом. Так, в Сибири (за Енисеем) они известны южнее 60-й и даже 50-й параллели. Вечная мерзлота в Сибири залегает на разных глубинах, но чаще всего на глубине 2—4 м. Таким образом, грунтовые воды здесь также залегают очень неглубоко, что, естественно, приводит к заболоченности даже при очень малом количестве осадков (рис. 108). На заболоченных местах обычно растут торфяные мхи, осоки, карликовые березы и ивы, лиственницы и корявые березы. По распространению этой растительности во многих случаях можно судить о налички вечной мерзлоты в данном месте.
В зимнее время, когда почвы промерзают сверху, грунтовые воды оказываются зажатыми между двумя водоупорными горизонтами. Подобное положение грунтовых вод приводит к ряду весьма своеобразных явлений. Так, на склонах, особенно в нижней их части, воды испытывают огромное гидростатическое давление, в результате которого вода прорывает мерзлую почву трещинами и выливается наружу. Ввиду того что явления эти протекают при сильных морозах, выливающаяся из трещин вода
замерзает. Излияние вод и последующее их замерзание повторяется неоднократно, что приводит к увеличению толщины льда до 4—5 и более метров. В результате нарастают огромные ледяные бугры, известные под названием наледей (рис. 109).
Наледи особенно сильно вредят дорогам. По одной только шоссейной Амуро-Якутской магистрали (728 км) за зиму 1927—1928 гг. зарегистрировано свыше сотни наледей. Из них 24 наледи имели площади свыше 1 км2. Толщина льда наледей доходит до 3—5 и более метров. Ввиду того что промерзание грунтов (сверху) к концу зимы постепенно увеличивается, растет и количество наледей. По наблюдениям, производившимся в районе той же Амуро-Якутской магистрали, в декабре образовалось 110 наледей, в январе 150, в феврале 350, в марте 575, в апреле 500. (В мае не образовалось ни одной.)
Случается, что грунтовые воды не могут сразу прорвать верхнего мерзлого горизонта. Тогда под давлением грунтовых вод поверхность земли выпучивается наподобие гриба (рис. 110). Эти «выпучивания» разрушают постройки, портят дороги и мосты.
K концу зимы земля сверху промерзает настолько, что верхний мерзлый слой нередко соединяется с нижним, и грунтовые воды полностью замерзают. В северных районах это явление наступает раньше, в южных позже. Вследствие сплошного промерзания вода ключей и колодцев иссякает, что создает большие затруднения для жителей. Понятно также, что и питание рек в зимний период в районах распространения вечной мерзлоты очень резко снижается. Летом же, наоборот, после каждого сильного дождя реки разливаются.
Подземные воды вулканических областей. Застывшие лавы благодаря своей трещиноватости и пористости хорошо пропускают воду. Еще лучше пропускают воду вулканические туфы, состоящие из рыхлых продуктов извержения. В силу этого обстоятельства атмосферные осадки, даже при большом их количестве, нередко нацело поглощаются вулканическими образованиями и не дают поверхностных водостоков. В результате поверхность лавовых покровов обычно имеет вид безжизненной пустыни, лишенной воды и растительности. Темная или даже черная окраска лав усиливает безотрадность открывающейся перед зрителем картины.
Воды, проникающие в толщу вулканических пород, достигают, наконец, водоупорных подстилающих пород и образуют здесь значительные скопления подземных вод. При большой мощности вулканических образований грунтовые воды оказываются очень глубоко, и, чтобы добраться до них, приходится рыть колодцы в
десятки метров глубиной. Эти грунтовые воды обычно выступают по краям лавовых плато в виде чистых, иногда очень многоводных источников…
Ювенильные воды. Магма, проникающая в толщу земной коры, выделяет большое количество водяных паров, которые, конденсируясь под землей, дают так называемую ювенильную воду. Ювенильные воды образуют источники, которые особенно широко распространены в областях недавнего вулканизма. Ювенильные источники чаще всего бывают горячими или теплыми и нередко минеральными.
Особое место среди горячих источников занимают гейзеры. Гейзеры периодически бурно вскипают и выбрасывают струи горячей воды и пара. Гейзеры встречаются сравнительно редко и связаны всегда с вулканическими областями. Наибольшей известностью пользуются гейзеры о. Исландии, Иеллоустонского национального парка США, Калифорнии и Новой Зеландии. Большое количество крупных гейзеров находится на Камчатке, несколько южнее группы Кроноцких вулканов. Высота выбрасываемых струй воды и пара некоторых камчатских гейзеров достигает 15—20 и более метров.
—Источник—
Половинкин, А.А. Основы общего землеведения/ А.А. Половинкин.- М.: Государственное учебно-педагогическое издательство министерства просвещения РСФСР, 1958.- 482 с.
Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава
