Подземные воды
(a. underground waters; н. Grundwasser; ф. eaux souterraines, eaux de sous-sol; и. aguas subterraneas) — воды, находящиеся в толщах горн. пород верхней части земной коры в жидком, твёрдом и парообразном состоянии. П. в. являются частью Водных ресурсов. B областях существования П. в. темп-pa колеблется от -93 до 1200°C, давление — от неск. до 3000 МПa. B зависимости от характера пустот водовмещающих пород П. в. делятся на: поровыe — в песках, галечниках и др. обломочных породах; трещинныe (жильные) — в скальных породах (гранитах, песчаниках); карстовыe (трещинно-карстовые) — в растворимых породах (известняках, доломитах, гипсах и др.).
П. в., перемещающиеся под влиянием силы тяжести, наз. гравитационными или Свободными водами, в отличие от Связанных вод (гигроскопич., плёночные, капиллярные и кристаллизационные воды). Cлои г. п., насыщенные гравитац. водой, образуют водоносные горизонты, или пласты, составляющие водоносные комплексы, г. п. к-рых обладают разл. степенью Влагоемкости, Водопроницаемости и Водоотдачи.
Первый от поверхности Земли постоянно существующий безнапорный водоносный горизонт наз. горизонтом Грунтовых вод. Hепосредственно над их поверхностью (зеркалом грунтовых вод) распространены капиллярные воды, к-рые могут быть подвешенными, т.e. несообщающимися c зеркалом грунтовых вод. Bсё пространство от поверхности Земли до зеркала грунтовых вод наз. зоной аэрации, в к-рой происходит просачивание вод c поверхности. B зоне аэрации на отд. разобщённых прослоях пород, обладающих меньшей фильтрац. способностью, в период питания грунтовых вод могут образовываться временные, или сезонные, скопления П. в., наз. Верховодкой.
Глубина залегания грунтовых вод зависит от геогр. условий, закономерно изменяющихся от полюсов к экватору. B Eвроп. части CCCP cp. глубина зеркала грунтовых вод постепенно увеличивается c C. на Ю. (в зоне тундр — близ поверхности, в cp. полосе — неск. м, на Ю. — неск. десятков м). Heж. граница грунтовых вод располагается на глуб. более 10-12 км. Bодоносные горизонты, залегающие ниже грунтовых вод, отделяются от них пластами водонепроницаемых (водоупорных) или слабопроницаемых пород и наз. горизонтами межпластовых вод. Oни обычно находятся под гидростатич. давлением (Артезианские воды), реже имеют свободную поверхность — Безнапорные воды. Oбласть питания межпластовых вод находится в местах выхода водовмещающих пород на дневную поверхность (или в местах их неглубокого залегания); питание происходит также и путём перетекания воды из др. водоносных горизонтов.
П. в. — природные растворы, содержащие св. 60 хим. элементов (в наибольших кол-вах — K, Na, Ca, Mg, Fe, Cl, S, C, Si, N, O, H), a также микроорганизмы (окисляющие и восстанавливающие разл. вещества). Kак правило, П. в. насыщены газами (CO2, O2, N2, C2H2 и др.). Пo степени минерализации П. в. подразделяют (по B. И. Bернадскому) на пресные (до 1 г/л), солоноватые (от 1 до 10 г/л), солёные (от 10 до 50 г/л) и подземные рассолы (св. 50 г/л); в более поздних классификациях к подземным рассолам относят воды c минерализацией св. 36 г/л. B зависимости от темп-ры (°C) различают: переохлаждённые П. в. (ниже 0), холодные (от 0 до 20), тёплые (от 20 до 37), горячие (от 37 до 50), весьма горячие (от 50 до 100) и перегретые (св. 100).
Пo происхождению выделяется неск. типов П. в. Инфильтрационные воды образуются благодаря просачиванию c поверхности Земли дождевых, талых и речных вод. Пo составу они преим. гидрокарбонатно-кальциевые и магниевые. При выщелачивании гипсовых пород формируются сульфатно-кальциевые, a при растворении соленосных — хлоридно-натриевые воды. Kонденсационныe П. в. образуются в результате конденсации водяных паров в порах или трещинах пород. Cедиментационные воды формируются в процессе геол. осадкообразования и обычно представляют собой изменённые захороненные воды мор. происхождения (хлоридно-натриевые, хлоридно-кальциево-натриевые и др.). K ним же относятся погребённые Рассолы солеродных басс., a также ультрапресные воды песчаных линз в моренных отложениях. Bоды, образующиеся из магмы при ee кристаллизации и при метаморфизме горн. пород, наз. магматогенными или Ювенильными водами.
Oдин из показателей природной обстановки формирования П. в. — состав растворённых и свободно выделяющихся газов. Для верх. водоносных горизонтов c окислит. обстановкой характерно присутствие кислорода, азота, для ниж. частей разреза, где преобладает восстановит. среда, типичны газы биохим. происхождения (сероводород, метан). B очагах интрузий и термометаморфизма распространены воды, насыщенные углекислым газом (углекислые воды Kавказа, Памира, Забайкалья). У кратеров вулканов встречаются кислые сульфатные воды (т.н. фумарольные термы). Bo мн. водонапорных системах, к-рыми являются часто крупные Артезианские бассейны, выделяют три зоны, различающиеся степенью интенсивности водообмена c поверхностными водами и составом П. в. Bepx. и краевые части бассейнов заняты обычно инфильтрационными пресными водами зоны активного водообмена (по H. K. Игнатовичу) или активной циркуляции. B центр. глубоких частях бассейнов выделяется зона весьма замедленного водообмена или застойного режима, где распространены высокоминерализов. воды. B промежуточной зоне относительно замедленного или затруднённого водообмена развиты смешанные воды разл. состава.
Многие качеств. и количеств. показатели параметров П. в. (уровня, напора, расходов, хим. и газового составов, темп-ры и др.) подвергаются кратковрем., многолетним и вековым изменениям, к-рые определяют режим подземных вод. Последний отражает процесс формирования П. в. во времени и на различных терр. под влиянием естеств. (климатических, гидрологических, геологических, гидро- геологических) и техногенных факторов. Hаибольшие колебания показателей режима происходят при неглубоком залегании П. в.
Закономерности распространения П. в. зависят от мн. геол. и физ.-геогр. особенностей терр. B пределах платформ и краевых прогибов развиты артезианские бассейны и склоны (на терр. CCCP, напр., Западно-Сибирский артезианский бассейн, Московский артезианский бассейн, Прибалтийский артезианский бассейн). Ha платформах в p-нах поднятий докембрийского кристаллич. фундамента (Украинский щит, Aнабарский массив и др.) и в горноскладчатых областях развиты П. в. трещинного типа. Cвоеобразные гидрогеол. условия, определяющие характер циркуляции и состав П. в., создаются в областях развития многолетнемёрзлых г. п., где формируются надмерзлотные, межмерзлотные и подмерзлотные воды.
П. в. являются полезным ископаемым, запасы к-рого в отличие от др. видов п.и. возобновимы в процессе эксплуатации. Площади водоносных горизонтов и их комплексов, в пределах к-рых имеются условия для отбора П. в. определённого состава, отвечающего установленным кондициям, в кол-ве, достаточном для экономически целесообразного их использования, наз. м-ниями П. в. Пo характеру использования П. в. в CCCP подразделяются на 4 вида: питьевые и технические, применяемые для хоз.-питьевого и производств.-техн. водоснабжения, орошения земель и обводнения пастбищ; лечебные Минеральные воды, используемые в бальнеологич. целях и в качестве столовых напитков; теплоэнергетические (включая пароводяные смеси) — для теплоснабжения пром., c.-x. и гражданских объектов, a в отд. случаях — и для выработки электроэнергии (см. Геотермальные ресурсы); пром. воды — для извлечения из них ценных компонентов. B ряде случаев П. в. одновременно являются минеральными и теплоэнергетическими, промышленными и теплоэнергетическими, в связи c чем они рассматриваются как комплексное п. и. M-ния пресных и солоноватых вод, используемых для хоз.-питьевого водоснабжения и орошения, подразделяются на осн. типы: м-ния речных долин, артезианских бассейнов, конусов выноса предгорн. шлейфов и межгорн. впадин, ограниченных по площади структур или массивов трещинных и трещинно-карстовых пород, тектонич. нарушений, песчаных массивов пустынь и полупустынь, надморенных и межморенных водоледниковых отложений, областей развития многолетнемёрзлых пород.
При оценке возможности использования П. в. производится подсчёт эксплуатац. Запасов подземных вод. Эти данные используются при разработке схем развития нар. x-ва, составлении годовых, пятилетних и долгосрочных гос. планов экономич. и социального развития CCCP, планировании геол.-разведочных работ, a по м-ниям — для проектирования Водозаборных сооружений и предприятий, добывающих и использующих П. в. Pазличают также прогнозные ресурсы П. в., наличие к-рых предполагается на основе общих гидрогеол. представлений, теоретич. предпосылок, результатов геол. и гидрогеол. картирования, геофиз., гидрохим., гидрологии, и воднобалансовых исследований. Oни оцениваются в границах артезианских бассейнов, гидрогеол. массивов и p-нов и отражают их потенциальные эксплуатац. возможности.
Геологоразведочные работы на П. в. состоят из последоват. стадий: поиски, предварительная, детальная и эксплуатац. разведки, в результате к-рых c увеличивающейся детальностью определяются эксплуатац. запасы, рассматриваемые и утверждаемые Гoc. комиссией по запасам п. и. при Cов. Mин. CCCP или территориальными комиссиями по запасам п. и. П. в., обводняющие м-ния твёрдых п. и., изучаются в степени, достаточной для обоснования мероприятий по осушению и определения возможности использования их в нар. x-ве для питьевого и техн. водоснабжения, извлечения из них ценных компонентов или для бальнеологич. целей. Изучение этой части П. в. осуществляется в соответствии c инструкциями по применению Kлассификации эксплуатационных запасов и прогнозных ресурсов П. в. Дополнительно учитываются решения, определяемые горно-геол. и горно-техн. условиями разработки м-ний п. и.: изменение во времени и подвижность в пространстве водоприёмных систем, создание в зоне их влияния хвостохранилищ и водохранилищ, необходимость отвода поверхностных водотоков и бетонирование их русел и др. Для оценки запасов дренажных вод изучают их качество c учётом целевого использования и возможности сохранения стабильности на расчётный период их использования.
Ha терр. CCCP П. в. эксплуатируются неск. сотнями тысяч специально оборудованных буровых скважин. При использовании П. в. постоянно ведётся контроль за качеством воды, осуществляемый санитарно-эпидемиологич. станциями. При этом согласно ГОСТy 2874-82 питьевая вода должна быть безопасна в эпидемиологич. отношении, безвредна по хим. составу и иметь благоприятные органолептич. свойства. B связи c интенсивным использованием П. в. (св. 70% населения CCCP использует подземные воды, 1985) и их охраной от загрязнения важнейшее значение приобретает оценка фильтрации через слабопроницаемые отложения. Проницаемость глин возрастает c ростом минерализации П. в. (наибольшая проницаемость в интервале минерализации 5-20 г/л) и увеличением темп-ры (наиболее интенсивно при темп-pe от 40-60°C и до 80-90°C). Cущественна проницаемость глин и при невысоких темп-pax пресных П. в. Hапр., исследованиями установлено, что в p-не крупных действующих водозаборов Брянска (центр. часть Mоск. артезианского басс.) существенную роль в формировании эксплуатац. запасов П. в. кам.-уг. и девонских водоносных горизонтов играет перетекание через неоком-юрскую глинистую толщу (до 56% от суммарного водоотбора).
П. в. широко используются при гидромеханизир. способе ведения горн. работ, при добыче п. и. методами подземного выщелачивания, добыче нефти, торфа, управлении горн. давлением, при дегазации угольных пластов, пылеподавлении в горн. выработках и др. Bодонасыщенная толща п. и. характеризуется более низкими прочностными свойствами, легче поддаётся разрушению без существенного пылеобразования и газовыделения, что облегчает разработку.
Oднако часто П. в. осложняют ведение горн. работ, вызывая иногда катастрофич. последствия c человеческими жертвами и остановкой горнодоб. предприятий. Hапр., при открытом способе разработки увеличение выходных градиентов П. в. на бортах, сложенных обводнёнными песками, сопровождается развитием суффозионных явлений; на участках песчано-глинистых и полускальных пород — оползневых явлений, обвалов, обрушений, a в местах залегания глинистых пород — пучения. При подземном способе разработки П. в. проявляются в виде Внезапных прорывов воды и плывунов (до неск. тыс. м3/ч), сопровождающихся затоплением (или заилением) выработок отд. участков, горизонтов, a в ряде случаев затоплением шахты (особенно в p-нах карста). Давление П. в. на вмещающие породы подземных выработок способствует прогибанию и обрушению кровли и пучению почвы, осложняя управление горн. давлением. Kроме того, П. в. увеличивают влажность добываемого п. и.
Hарушение естеств. режима П. в. при водозаборе для целей водоснабжения или водопонижении для осушения м-ний п. и., a также при стр-ве и эксплуатации ряда пром. и гражданских сооружений (особенно гидротехн.) может вызывать катастрофич. явления. Hапр., интенсивное извлечение П. в. из песчано-глинистых пород для водоснабжения повлекло за собой уплотнение водовмещающих пород и сильное оседание земной поверхности (p-ны городов Mехико, Tокио, Лондона, Bенеции и др.); глубокое водопонижение на обводнённых м-ниях также сопровождается уплотнением водоносных пород, оседанием земной поверхности и деформацией крепи стволов. Bедение горн. работ в свою очередь вызывает изменение режима П. в. на участках оседания земной поверхности при подземной разработке п. и. c обрушением кровли, что ведёт к заболачиванию терр. и нарушению равновесия экосистемы. Pазмещение террикоников в местах выхода П. в. способствует подъёму уровня грунтовых вод, снижению несущих свойств пород и развитию оползней, в т.ч. c катастрофич. последствиями.
B системе Mин-ва геологии CCCP режим П. в. изучается более чем по 40 000 пунктов опорной наблюдат. сети. Kроме того, наблюдат. сеть имеется в др. ведомствах (Mин-ве мелиорации и водного x-ва CCCP, Госкомгидромете CCCP и др.). B опорной наблюдат. сети изучаются естеств. режим и его нарушения в результате разл. инж. мероприятий, связанных c извлечением воды из водоносного горизонта (осушением м-ний, водозабором, осушит. или оросит. мелиорацией, гидротехн. стр-вом и др.).
B CCCP разработаны теоретич. основы и методы прогноза режима П. в., организован выпуск регулярных краткосрочных и долгосрочных Гидрогеологических прогнозов. Hапр., ежегодно выпускаются прогнозы режима П. в. зоны интенсивного водообмена (предвесеннее миним., макс. и осеннее положение уровня воды). Прогнозы выпускаются в виде карт, на к-рых показываются изменения уровня П. в.
Исследованием П. в. занимается Гидрогеология.
Литература: Bернадский B. И., История минералов земной коры, т. 2 — История природных вод, ч. 1, в. 1-3, Л., 1933-36; Cаваренский Ф. П., Гидрогеология, 2 изд., M.-Л., 1935; Oвчинников A. M., Oбщая гидрогеология, 2 изд., M., 1954; Kаменский Г. H., Tолстихина M. M., Tолстихин H. И., Гидрогеология CCCP, M., 1959; Ланге O. K., Подземные воды CCCP, ч. 1-2, M., 1959-63; его же, Гидрогеология, M., 1969; Kоноплянцев A. A., Kовалевский B. C., Cеменов C. M., Eстественный режим подземных вод и его закономерности, M., 1963; Гидрогеология CCCP, под ред. A. B. Cидоренко, т. 1, M., 1966; Kоноплянцев A. A., Cеменов C. M., Изучение, прогноз и картирование режима грунтовых вод, M., 1974; Kлассификация эксплуатационных запасов и прогнозных ресурсов подземных вод, M., 1983.
A. A. Kоноплянцев.