Основы геологии

К напорным (артезианским) водам относятся подземные воды, находящиеся в водоносных горизонтах, перекрытых и подстилаемых водоупорными (или относительно водоупорными) слоями горных пород, и обладающие гидростатическим напором. Они располагаются на больших пространствах и глубинах вне сферы воздействия местных дрен (рек, оврагов и др.). Артезианские межпластовые напорные воды названы по месту их первоначального нахождения в XII в. во французской провинции Артуа (древнее название Артезия). Водоносные горизонты, содержащие напорные межпластовые воды, связаны с различными главным образом отрицательными структурами земной коры: синеклизами, мульдами, предгорными и межгорными прогибами и моноклиналями (греч. "моно" - один, "клино" - склоняю). По условиям залегания пород, содержащих артезианские воды, выделяются артезианские бассейны и артезианские склоны.

Рис. 7.7. Схема артезианского бассейна при мульдообразном залегании пород

Под артезианскими бассейнами понимают совокупность артезианских водоносных горизонтов, залегающих в синеклизах и других прогибах. В каждом артезианском бассейне (рис. 7.7) выделяются: а) область питания - площади выхода на дневную поверхность водоносных пород, располагающихся на наивысших гипсометрических отметках; б) область разгрузки - места выхода на поверхность водоносного горизонта на более низких абсолютных отметках по сравнению с областью питания.

Такая разгрузка может осуществляться в виде восходящих источников, местами же в виде скрытых очагов разгрузки в рыхлые отложения под руслами рек или на дне моря (субмаринные источники); в) область напора - основная площадь распространения артезианских вод, расположенная между областями питания и разгрузки. В области напора уровень напорных вод всегда располагается выше кровли водоносного горизонта. Расстояние по вертикали от кровли водоносного горизонта до этого уровня и называется напором. Если на разрезе соединить линией отметки уровней воды в областях питания и разгрузки, то эта линия примерно покажет, до какой высоты поднимется напорная вода при вскрытии ее колодцами или буровыми скважинами. Уровень напорных вод называют пьезометрическим (греч. "пьезо" - давлю) и всегда выражается в абсолютных отметках, а величина напора - в метрах. Пьезометрическая поверхность напорного водоносного горизонта изображается обычно на специальных картах гидроизопьез. Гидроизопьезы (иногда их называют изопьезы, или пьезо-изогипсы) - линии, соединяющие точки с одинаковыми абсолютными отметками пьезометрического уровня.

Рис. 7.8. Тип артезианского бассейна с верхним (I) и нижним (II) водоносными горизонтами

Размеры многих артезианских бассейнов, приуроченных прогибам и впадинам, колеблются от сотен км² до сотен тысяч км². Такие бассейны содержат значительные запасы воды хорошего качества и широко используются для промышленного и питьевого водоснабжения. Особенно большие площади занимают артезианские бассейны платформенных областей. К таким крупным артезианским бассейнам относятся Московский, Днепровско-Донецкий (Северо-Украинский), Западно-Сибирский, Парижский и др. В разрезе каждого артезианского бассейна выделяется несколько напорных водоносных горизонтов (рис. 7.8) с общей мощностью водовмещающих пород, превышающей сотни, а иногда и тысячи метров. Артезианские бассейны межгорных впадин чаще всего не превышают 100 тыс. км² . Питание их, помимо инфильтрации атмосферных осадков, идет за счет поглощения поверхностных вод, стекающих с горных сооружений, и перетока подземных вод из пород горноскладчатого обрамления.

Своеобразный асимметрический артезианский бассейн формируется местами при моноклинальном (односклонном) залегании водоносного горизонта, когда водопроницаемые породы выклиниваются по мере погружения или же фациально замещаются водонепроницаемыми породами. Такой бассейн назван А. М. Овчинниковым артезианским склоном. В этих случаях создаются специфические гидродинамические условия. Области питания и разгрузки располагаются поблизости одна от другой, а область распространения напора находится в стороне на более низких отметках. Такие бассейны встречаются в краевых частях предгорных прогибов и на склонах впадин на платформах.

Режим артезианских вод по сравнению с режимом грунтовых является более стабильным; пьезометрический уровень мало подвержен сезонным колебаниям; хорошая изолированность от природных и искусственных воздействий с поверхности Земли обеспечивает чистоту воды напорных водоносных горизонтов.

Рис. 7.9. Схематический гидрогеологический разрез части речной долины (по П.П. Климентову)

Разгрузка (дренаж) различных типов подземных вод изображена на рис. 7.9. Как видно, нисходящие источники связаны с подземными водами со свободной поверхностью - верховодками, грунтовыми и безнапорными межпластовыми водами. Источники, связанные с верховодкой, функционируют лишь ограниченное время года, периодически иссякают, появляясь после выпадения и инфильтрации атмосферных осадков и талых вод. Подавляющее большинство нисходящих источников грунтовых вод связано с эрозионными врезами долин. Такие источники чаще всего располагаются в основании склонов долины или на ее дне и называются эрозионными источниками. В случае фильтрационной неоднородности пород, слагающих склоны оврагов, рек, озер, вода может стекать по контакту водоупорного и водоносного пластов. Такие источники называют контактными. При ярусном строении разреза склона иногда выходят несколько нисходящих контактных источников, соответствующих подошвам водоносных горизонтов. В большинстве случаев источники представляют собой разобщенные (очаговые, точечные) выходы подземных вод. Местами же обнаруживаются протяженные линии выхода вод контактного типа. Дебит нисходящих источников грунтовых вод непостоянен во времени и испытывает сезонные изменения. В сухие годы и месяцы их дебит уменьшается, во влажные - увеличивается. Соответственно изменяются уровни грунтовых вод. Наиболее всего распространены малодебитные (до 1 л/с) и среднедебитные (1-10 л/с) источники. Высокодебитные (>10 л/с) источники обычно приурочены к песчано-гравийно-галечным отложениям и к сильно трещиноватым и закарстованным известнякам. В некоторых карстовых районах выходят особо высокодебитные источники (100 и более л/с), местами дающие начало речкам.

Восходящие источники обязаны своим происхождением гидростатическому напору, характерному для артезианских бассейнов и склонов. Их выходы в виде бьющих вверх струй приурочены к основным краевым областям разгрузки артезианских бассейнов и нередко связаны с зонами тектонических разрывов и других, нарушений. Это могут быть эрозионные источники напорных вод (см. рис. 7.9) или источники, пробивающиеся через относительно, слабо проницаемые отложения, перекрывающие водоносный горизонт, или восходящие по линии сброса, и др. Во многих акваториях Земли зафиксированы восходящие субмаринные источники подземных вод. Такие мощные восходящие струи издавна известны на дне Средиземного моря и других внутренних морей, где они встречаются на различных глубинах в области шельфа, а местами и континентального склона, а также во многих районах Атлантического, Индийского и Тихого океанов.