«Подземные воды, их происхождение, условия залегания и использования. Минеральные источники» — тема урока № 7 по географии в 6 классе, предусмотренная Федеральной рабочей программой основного общего образования. На уроке школьники узнают, как вода попадает под землю, в каких горных породах она накапливается, чем грунтовые воды отличаются от межпластовых и артезианских, почему возникают родники, как люди используют подземные воды и откуда в минеральных источниках появляются растворённые вещества.
Под землёй находится значительно больше пресной воды, чем во всех реках и озёрах мира. Она заполняет поры песка и гравия, трещины в известняке, граните и других породах, медленно перемещается под действием силы тяжести и давления. Подземные воды питают реки в сухое время, поддерживают болота и озёра, снабжают населённые пункты питьевой водой и выходят на поверхность в виде родников.
Что такое подземные воды
Подземные воды — воды, находящиеся в верхней части земной коры в жидком, твёрдом или газообразном состоянии. В школьном курсе чаще рассматривают жидкую воду, которая заполняет поры, пустоты и трещины горных пород.
Подземную воду не следует представлять как огромные открытые озёра под землёй. В песке она занимает мельчайшие промежутки между зёрнами, в твёрдых породах движется по трещинам, а в растворимых известняках может образовывать расширенные каналы и пещеры. Открытые подземные водоёмы встречаются в карстовых районах, но это частный случай.
Наука, изучающая подземные воды, называется гидрогеологией. Гидрогеологи исследуют происхождение, состав, движение и запасы воды, находят места для бурения скважин, оценивают качество и защищённость источников.
Как образуются подземные воды
Основная масса пресных подземных вод имеет инфильтрационное происхождение. Дождь и талая вода просачиваются через почву, песок, гравий, трещиноватые породы и постепенно уходят на глубину. Часть влаги задерживают корни растений, часть испаряется, а остаток пополняет водоносные горизонты.
Питание сильнее там, где выпадает много осадков, поверхность сложена проницаемыми породами и покрыта растительностью. На застроенной территории асфальт и крыши препятствуют просачиванию: вода быстро уходит в ливневую канализацию и реки. В сухом климате испарение велико, поэтому пополнение обычно слабее.
Часть подземной воды сохраняется в породах с древних геологических эпох. Такую воду называют реликтовой, или погребённой. Она могла оказаться в осадках на дне древнего моря, а затем была изолирована новыми слоями. На большой глубине вода выделяется при преобразовании минералов и поступает из магматических очагов, однако её доля в обычном питьевом водоснабжении невелика.
Круговорот подземной воды
После просачивания вода движется от участков питания к более низким местам. Путь может длиться от нескольких дней до тысяч лет. Неглубокий поток быстро достигает оврага или реки. Вода глубокого закрытого горизонта перемещается очень медленно и выходит далеко от места, где проникла под землю.
Разгрузка происходит в родниках, руслах рек, болотах, на морском дне и через скважины. Затем вода снова испаряется или уносится речным стоком. Подземная часть круговорота медленнее поверхностной, поэтому последствия загрязнения могут сохраняться десятилетиями.
Водопроницаемые и водоупорные породы
Условия залегания зависят от размера и связи пустот в породе. Если вода свободно проходит через поры и трещины, породу называют водопроницаемой. Хорошо пропускают воду галька, гравий, песок, трещиноватый известняк и сильно разрушенные скальные породы.
Водоупорная порода пропускает воду очень медленно. К водоупорам относят глину, плотный нетрещиноватый гранит и некоторые сланцы. Абсолютно непроницаемых природных слоёв почти нет, но скорость движения через водоупор настолько мала, что в учебной схеме его считают преградой.
| Порода | Пустоты | Как проходит вода |
|---|---|---|
| Галька и гравий | Крупные связанные промежутки | Очень легко и быстро |
| Песок | Много связанных пор | Хорошо |
| Песчаник | Поры между сцементированными зёрнами | По-разному, зависит от цемента |
| Известняк | Трещины и растворённые каналы | Часто хорошо, особенно в карсте |
| Глина | Очень мелкие поры | Крайне медленно |
| Массивный гранит | Пустот мало | Слабо, но по трещинам вода движется |
Пористость и водопроницаемость — не одно и то же. Глина содержит много мельчайших пор и может удерживать значительное количество воды, однако связи между порами узкие. Поэтому движение идёт очень медленно. В гравии общий объём пор может быть сходным, но крупные проходы обеспечивают быстрый поток.
Водоносный горизонт
Водоносный горизонт — слой или группа связанных пород, которые содержат воду и способны отдавать её роднику, колодцу или скважине. Он может состоять из песка, гравия, песчаника, трещиноватого известняка либо другой проницаемой породы.
Сверху и снизу горизонт может быть ограничен водоупорами. Если верхней преграды нет, вода имеет свободную поверхность и связана с атмосферой через почву. Если горизонт зажат между двумя водоупорными слоями, вода находится под давлением.
Территория, на которой осадки проникают в конкретный горизонт, называется областью питания. Место выхода воды — областью разгрузки. Между ними подземный поток движется в сторону понижения напора.
Почвенная влага и верховодка
Самая близкая к поверхности вода находится в почве. Она обволакивает частицы, заполняет мелкие поры и служит источником влаги для растений. После дождя её становится больше, во время засухи — меньше.
Верховодка — временное скопление воды над небольшим местным водоупором, расположенным выше основного уровня грунтовых вод. Она появляется после снеготаяния или продолжительных дождей и может исчезнуть в сухой период. Верховодка слабо защищена от поверхностного загрязнения, поэтому использовать её для питья без анализа опасно.
Грунтовые воды
Грунтовые воды лежат на первом от поверхности сплошном водоупорном слое. Сверху они не перекрыты водоупором и обладают свободной поверхностью, которую называют уровнем грунтовых вод.
Уровень повторяет рельеф в сглаженном виде: под возвышенностями он обычно глубже, в долинах располагается ближе к поверхности. После весеннего снеготаяния и влажного сезона уровень повышается, в засуху и морозный период — снижается. Колодец, достигший грунтового горизонта, также показывает эти колебания.
Если уровень располагается слишком близко к поверхности, почва переувлажняется, появляются болота, а подвалы могут затапливаться. При чрезмерной откачке уровень понижается, неглубокие колодцы пересыхают, уменьшается питание ручьёв.
Межпластовые воды
Межпластовые воды находятся в водоносной породе между водоупорными слоями. Они пополняются там, где горизонт выходит на поверхность или его верхняя граница становится проницаемой. Оттуда вода медленно движется в более глубокую часть бассейна.
Верхний водоупор защищает горизонт от быстрого попадания загрязнений. Однако это не означает полной безопасности: загрязнённая вода может проникнуть через область питания, трещины, плохо оборудованные скважины и старые заброшенные колодцы.
Артезианские воды
Артезианскими называют напорные межпластовые воды. Они находятся в прогнутом или наклонном водоносном слое, зажатом водоупорами. Область питания расположена выше участка бурения, поэтому вода в глубине испытывает давление.
Когда скважина вскрывает горизонт, вода поднимается по трубе выше кровли слоя. Если пьезометрический уровень находится выше поверхности земли, скважина фонтанирует без насоса. Но не всякая артезианская скважина обязательно самоизливается: вода может остановиться внутри трубы ниже поверхности.
Крупная геологическая структура с одним или несколькими напорными горизонтами называется артезианским бассейном. В России известны Московский, Западно-Сибирский и другие бассейны. Их запасы используют для водоснабжения городов, посёлков и предприятий.
Что такое уровень и напор
В грунтовом горизонте уровень совпадает со свободной поверхностью воды. В напорном горизонте вода при вскрытии поднимается выше его верхней границы. Высоту, до которой она поднимется в трубке, называют пьезометрическим уровнем.
При работе насоса вокруг скважины возникает понижение поверхности — депрессионная воронка. Чем сильнее откачка и хуже проницаемость пород, тем заметнее понижение. Если рядом действует несколько мощных скважин, их воронки соединяются и уровень падает на большой территории.
Как возникают родники
Родник, или источник, — естественный выход подземной воды на поверхность. Он появляется там, где водоносный горизонт пересекается со склоном оврага, речной долины, горы или морского берега. Вода также выходит по трещинам и разломам.
Нисходящий источник питается водой, которая движется сверху вниз под действием силы тяжести. Восходящий связан с напорным горизонтом: вода поднимается по трещине или каналу. Расход одних родников почти постоянен, другие усиливаются весной и пересыхают летом.
Холодный родник имеет температуру, близкую к средней годовой температуре пород. Термальный источник выносит воду, нагретую в глубине. Обычно температуру выше 20 °C считают признаком термальной воды, но границы классификации могут различаться.
Минеральные источники
Минеральный источник — естественный выход подземной воды с повышенным содержанием растворённых солей, газов или биологически активных компонентов. Двигаясь через породы, вода растворяет минералы и вступает с ними в химические реакции. Чем дольше путь и выше температура, тем заметнее может измениться состав.
По преобладающим ионам выделяют гидрокарбонатные, сульфатные, хлоридные и смешанные воды. В них могут присутствовать кальций, магний, натрий, железо, йод, бром, кремниевая кислота и углекислый газ. Состав каждого месторождения зависит от пород, глубины, температуры и времени обмена.
Минеральность — это общее количество растворённых веществ в единице объёма воды. Она не показывает автоматически, полезна вода или нет. Слишком высокая концентрация солей и отдельных элементов ограничивает употребление. Лечебную минеральную воду применяют по медицинским показаниям, а питьевое качество подтверждают лабораторным анализом.
Почему минеральная вода бывает газированной и тёплой
Углекислый газ может поступать из глубинных процессов или образовываться при взаимодействии воды с породами. Под давлением он хорошо растворяется. При выходе на поверхность давление падает, и газ выделяется пузырьками.
Температура в земной коре в среднем растёт с глубиной, хотя скорость роста неодинакова. Вода, проникшая по трещинам вниз, нагревается, растворяет вещества и возвращается по разломам. В вулканических районах дополнительное тепло дают горячие породы и магматические очаги.
На выходе железистой воды появляются рыжие отложения соединений железа. У карбонатных источников образуются светлые известковые натёки и террасы. Цвет осадка помогает предположить состав, но точное определение возможно только в лаборатории.
Минеральные источники России
Особенно известен район Кавказских Минеральных Вод. В Кисловодске распространены углекислые воды типа нарзана, в Ессентуках — хлоридно-гидрокарбонатные натриевые воды, в Железноводске — термальные кальциево-натриевые источники. Пятигорск известен разнообразием состава и температуры.
Минеральные и термальные воды встречаются на Камчатке, Кавказе, Алтае, в Забайкалье и многих других регионах. Для сохранения месторождения устанавливают зоны санитарной охраны и ограничивают объём добычи.
Колодец и скважина
Колодец обычно имеет большой диаметр и небольшую глубину. Он достигает грунтового горизонта, поэтому уровень и качество сильнее зависят от сезона и состояния ближайшей территории. Загрязнение способно проникнуть с поверхности через стенки и оголовок.
Скважина представляет собой узкую горную выработку, пробурённую до выбранного горизонта. Её укрепляют обсадными трубами, а водоприёмную часть снабжают фильтром. Пространство вокруг трубы герметизируют, чтобы поверхностная вода не стекала вниз вдоль ствола.
Глубина сама по себе не гарантирует чистоту. Вода может содержать избыток железа, марганца, солей жёсткости, фтора или природных газов. Перед использованием проводят химический и микробиологический анализ.
Как используют подземные воды
- Питьевое и хозяйственное водоснабжение. Скважины дают воду городам, сёлам и отдельным домам.
- Сельское хозяйство. Воду используют для орошения полей, поения животных и хозяйственных нужд.
- Промышленность. Она служит сырьём, теплоносителем, средой для промывки и охлаждения.
- Лечебные цели. Минеральные воды применяют на курортах для питьевых процедур и ванн.
- Получение тепла. Термальные воды обогревают здания, теплицы и используются в геотермальной энергетике.
- Розлив. Питьевые и минеральные воды добывают при соблюдении установленного режима месторождения.
Подземная вода часто прозрачна и защищена от кратковременного поверхностного загрязнения, но это не означает, что её всегда можно пить без очистки. Состав зависит от природных условий и деятельности человека. Система водоснабжения может удалять железо, соли жёсткости, газы и микроорганизмы.
Роль подземных вод в природе
В засушливый период реки продолжают течь благодаря подземному питанию. Вода медленно поступает через дно и берега, поддерживая меженный расход. Родники дают начало ручьям, увлажняют почву и создают местообитания для растений и животных.
В прибрежной зоне пресная подземная вода соприкасается с солёной морской. Из-за меньшей плотности она образует линзу над солёной. Чрезмерная откачка снижает напор и позволяет морской воде продвигаться к скважинам. Этот процесс называется засолением, или морской интрузией.
В карстовых районах вода растворяет известняк и формирует воронки, пещеры, шахты и подземные реки. Поток движется быстро, поэтому загрязнение способно пройти большое расстояние почти без естественной фильтрации.
Запасы подземных вод
Различают естественные запасы, накопленные в пустотах пород, и ресурсы, которые регулярно пополняются. Если добыча длительно превышает питание, уровень падает, увеличиваются расходы на подъём воды и уменьшается разгрузка в реки.
Глубокая вода может обновляться крайне медленно. Её иногда называют невозобновляемой в масштабе человеческой жизни. Поэтому разрешённый отбор рассчитывают по данным наблюдений и опытных откачек, а не только по объёму воды в слое.
Как загрязняются подземные воды
Загрязняющие вещества просачиваются с полей, свалок, промышленных площадок, дорог и неисправных канализационных систем. В воду попадают нитраты, нефтепродукты, соли, тяжёлые металлы, бытовая химия и микроорганизмы.
Особенно уязвим первый от поверхности горизонт. Песок задерживает часть взвешенных частиц, а почвенные микроорганизмы разрушают некоторые соединения, но такая фильтрация не удаляет все растворённые вещества. Нитраты и многие соли проходят на значительную глубину.
Загрязнённый участок движется вместе с подземным потоком и образует шлейф. Очистить весь водоносный горизонт трудно: приходится удалять источник загрязнения, откачивать воду, очищать её и вести наблюдения много лет.
Охрана подземных вод
Вокруг питьевых водозаборов создают зоны санитарной охраны. Рядом со скважиной запрещают деятельность, способную занести загрязнение. Оголовок герметизируют, площадку отводят от затопления, а качество воды регулярно контролируют.
Заброшенные скважины должны быть правильно ликвидированы. Открытый ствол соединяет горизонты и становится каналом для грязной поверхностной воды. На сельскохозяйственных землях нормируют удобрения, устраивают защищённые хранилища и следят за состоянием навозохранилищ.
Рациональное использование означает, что отбор не должен надолго превышать пополнение. Для этого измеряют уровень, расход скважин, химический состав и изменение речного стока.
Проседание земной поверхности
При сильном снижении давления вода покидает поры, а рыхлые слои уплотняются. Поверхность может медленно опускаться. Такое проседание повреждает здания, дороги и трубопроводы, усиливает риск затопления низменных территорий.
После уплотнения объём пор восстанавливается не полностью. Даже если уровень воды позже повысится, потерянная вместимость горизонта может не вернуться. Поэтому наблюдения за осадкой поверхности ведут вместе с контролем уровня.
Как изучают подземные воды
Гидрогеологи начинают с геологических карт и описания пород. Затем проводят геофизические исследования и бурят разведочные скважины. Из керна узнают состав и строение слоёв, а приборы измеряют глубину уровня и температуру.
Во время опытной откачки насос работает с известным расходом. Специалисты наблюдают, насколько понизился уровень в основной и соседних скважинах и как быстро он восстанавливается. Эти данные показывают проницаемость горизонта и возможный объём добычи.
Пробы исследуют на соли, металлы, органические вещества и микроорганизмы. Изотопный состав помогает оценить возраст и происхождение воды. Автоматические датчики непрерывно записывают уровень, давление, температуру и электропроводность.
Как читать схему залегания подземных вод
- Найдите поверхность земли и последовательность горных пород.
- Определите проницаемые слои и водоупоры.
- Выделите первый сплошной горизонт — грунтовые воды.
- Посмотрите, есть ли водоносный слой между двумя водоупорами.
- Найдите область, где осадки могут проникать в горизонт.
- Определите направление к долине, реке или источнику.
- Сравните глубину колодца и скважины.
- Проверьте, способен ли межпластовый горизонт создавать напор.
Сравнение видов подземных вод
| Вид | Положение | Напор | Изменчивость | Защищённость |
|---|---|---|---|---|
| Почвенная влага | В почве у поверхности | Нет | Очень высокая | Очень низкая |
| Верховодка | Над местным водоупором | Нет | Часто временная | Низкая |
| Грунтовая вода | На первом сплошном водоупоре | Обычно нет | Сезонные колебания | Невысокая |
| Межпластовая вода | Между водоупорами | Может быть | Более стабильная | Выше, но не абсолютная |
| Артезианская вода | В напорном межпластовом горизонте | Есть | Обычно стабильная | Зависит от области питания и скважин |
Часто задаваемые вопросы
Есть ли под землёй озёра?
Большая часть воды находится в порах и трещинах. Открытые водоёмы и потоки встречаются главным образом в карстовых пещерах, но они составляют малую долю общих запасов.
Почему вода в колодце не уходит в землю?
Колодец вскрывает насыщенную часть водоносного горизонта. Вода поступает из окружающих пор, пока её уровень не сравняется с уровнем грунтовых вод.
Чем артезианская вода отличается от грунтовой?
Грунтовая имеет свободную поверхность и лежит на первом водоупоре. Артезианская заключена между водоупорными слоями и находится под напором.
Почему родник может пересохнуть?
Причиной бывает засуха, уменьшение питания, вырубка леса, строительство, дренаж или откачка из связанного горизонта. Небольшие источники быстро реагируют на сезон.
Всякая ли минеральная вода лечебная?
Нет. Состав, минерализация и допустимый режим употребления различаются. Лечебные свойства и безопасность подтверждают исследования, а некоторые воды применяют только по назначению врача.
Можно ли пить воду из любого родника?
Нельзя судить о безопасности по прозрачности и вкусу. Вода может содержать микроорганизмы, нитраты или природные вещества без заметного цвета и запаха. Качество определяет лабораторный анализ.
Почему глубокая вода иногда солёная?
Она долго взаимодействует с породами, растворяет минералы или сохраняется со времени древнего морского бассейна. С глубиной водообмен часто замедляется, а минерализация растёт.
Вопросы для самопроверки
- Как атмосферные осадки превращаются в подземную воду?
- Чем водопроницаемая порода отличается от водоупорной?
- Почему глина удерживает воду, но плохо её пропускает?
- Где залегают грунтовые воды?
- Как образуются межпластовые воды?
- При каком условии артезианская скважина фонтанирует?
- Почему родник появляется на склоне?
- От чего зависит химический состав минерального источника?
- Какие последствия вызывает чрезмерная откачка?
- Почему прозрачную подземную воду всё равно нужно анализировать?
Краткие выводы урока
Подземные воды образуются главным образом при просачивании дождевой и талой воды. Они накапливаются и движутся в порах и трещинах проницаемых пород. Водоупорные слои определяют положение грунтовых и межпластовых горизонтов, а разность высот создаёт напор артезианской воды.
Родники являются естественными местами разгрузки. Минеральные источники отличаются повышенным содержанием растворённых солей, газов или других компонентов. Подземная вода важна для рек, экосистем и хозяйства, но её запасы требуют контроля, защиты от загрязнения и разумного использования.
