Напорные подземные воды: Напорные воды

Автор

Содержание

Напорные воды — это… Что такое Напорные воды?

Напорные воды
        (a. pressure water; н. Druckwasser; ф. eaux de charge; и. aguas bajo presion) — подземные воды, находящиеся под давлением, значительно превышающим атмосферное, и приуроченные к водоносным горизонтам, залегающим между водоупорными (слабопроницаемыми) пластами в пределах сравнительно крупных геол. структур (синеклиз, моноклиналей и др.). Пьезометрич. уровень H. в. при их вскрытии скважинами устанавливается выше контакта водоупорной кровли и водоносного горизонта. Величина напора определяется как разность отметок по вертикали пьезометрич. уровня в данной точке и кровли залегания водоносного горизонта. При гидродинамич. расчётах фильтрационных потоков величины напоров приводят к единому уровню, напр. уровню моря. Пo пьезометрич. поверхности H. в. определяют направление движения вод, уклон потока и др.
параметры для решения задач гидродинамики.         
При разработке п. и. в области развития H. в. нередко наблюдаются Водопритоки и Внезапные прорывы подземных вод, для борьбы c к-рыми применяют разл. способы Водозащиты горн. выработок. B p-нах действующих шахт и карьеров эти мероприятия приводят к формированию крупных, нередко региональных воронок депрессии.         
H. в. нередко называют также Артезианскими водами. P. Г. Джамалов.

Горная энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия. Под редакцией Е. А. Козловского. 1984—1991.

  • Наполнительный агрегат
  • Напорный трубопровод

Полезное


Смотреть что такое «Напорные воды» в других словарях:

  • напорные воды — Подземные воды, заключенные между водоупорными слоями и находящиеся под гидростатическим давлением. Syn.: межпластовые воды …   Словарь по географии

  • НАПОРНЫЕ ВОДЫ — подземные воды, находящиеся под давлением, превышающим атмосферное. Приурочены к водоносным горизонтам, залегающим между водоупорными пластами; при вскрытии устанавливаются выше водоупорной кровли …   Большой Энциклопедический словарь

  • напорные воды — — [http://slovarionline.ru/anglo russkiy slovar neftegazovoy promyishlennosti/] Тематики нефтегазовая промышленность EN head waterpressure water …   Справочник технического переводчика

  • напорные воды — подземные воды, находящиеся под давлением, превышающим атмосферное. Приурочены к водоносным горизонтам, залегающим между водоупорными пластами; при вскрытии устанавливаются выше водоупорной кровли. * * * НАПОРНЫЕ ВОДЫ НАПОРНЫЕ ВОДЫ, подземные… …   Энциклопедический словарь

  • НАПОРНЫЕ ВОДЫ

    — (восходящие воды, неточный синоним: артезианские воды) подземные воды в пластах горных пород, покрытых водоупорной кровлей, на которую эти воды оказывают гидростатическое давление. При вскрытии выработками Н. в. поднимаются выше контакта… …   Словарь по гидрогеологии и инженерной геологии

  • Напорные воды —         то же, что Артезианские воды …   Большая советская энциклопедия

  • НАПОРНЫЕ ВОДЫ — подземные воды, находящиеся под давлением, превышающим атмосферное. Приурочены к водоносным горизонтам, залегающим между водоупорными пластами; при вскрытии устанавливаются выше водоупорной кровли …   Естествознание. Энциклопедический словарь

  • Напорные воды — ► head water, pressure water Подземные воды, находящиеся под давлением, значительно превышающим атмосферное, и приуроченные к водоносным горизонтам, залегающим между водоупорными (слабопроницаемыми) пластами в пределах сравнительно крупных… …   Нефтегазовая микроэнциклопедия

  • Артезианские (напорные) воды — воды, обладающие напором и образующиеся при синклинальном, моноклинальном, флексуро и грабенообразном залегании горных пород между водоупорными слоями …   Геологические термины

  • верхние напорные воды — (относительно нефтяного горизонта) [http://slovarionline.ru/anglo russkiy slovar neftegazovoy promyishlennosti/] Тематики нефтегазовая промышленность EN upper head water …   Справочник технического переводчика

Инженерая геология и геофизика

Вода

 

В этой части речь пойдет о воде. Вода в природе имеет широкое распространение. Она содержится в атмосфере, гидросфере и биосфере. Горные породы по своему происхождению и вследствие вторичных процессов не являются монолитными, а содержат в себе поры, пустоты и трещины самых различных форм и размеров.

 

Это облегчает инфильтрацию атмосферных осадков и конденсацию паров воды в коре выветривания, способствуя образованию в ней водоносных горизонтов.

 

Воды, находящиеся в верхней части литосферы, называют подземными. Науку о подземных водах, их происхождении, условиях залегания, законах движения, физических и химических свойствах, связях атмосферными и поверхностными водами, называют гидрогеологией.

 

Подземные воды играют большую роль в жизни и хозяйственной деятельности человека. Для строителей подземные воды служат либо источником водоснабжения, или выступают как фактор, затрудняющий строительство.

Особенно сложно производство земляных и строительных работ в условиях притока подземных вод, затапливающих котлованы, карьеры, и т. д. Появление подземных вод в рыхлых породах ведёт к ухудшению их физико-механических свойств. В глинистых породах насыщение водой, как правило, приводит к текучести, а в песчаных – к плывучести. В известняках, гипсах, каменной соли подземные воды вызывают растворение вещества с образованием крупных пустот.

 

Вода в условиях земной поверхности находится в постоянном движении. В природе происходит постоянный круговорот воды – большой, малый и внутренний. При большом круговороте испаряющаяся с поверхности Мирового океана влага переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подземного стоков. При малом круговороте испарившаяся с поверхности океана влага выпадает в виде осадков на ту же водную поверхность. В ходе внутреннего круговорота испарившаяся с поверхности суши влага вновь выпадает на сушу в виде атмосферных осадков.

В процессе круговорота воды в природе наиболее активно возобновляются речные воды. Интенсивность водообмена подземных вод различна и зависит преимущественно от глубины их залегания.

 

В верхней части земной коры различают зоны интенсивного (преимущественно пресные воды, расположенные до глубины 300-400 м), замедленного (солоноватые и соленые воды, располагаются до глубины 600-2000 м) и весьма замедленного водообмена (воды типа рассолов, полностью изолированы от поверхностных вод и атмосферных осадков).

Весьма важным фактором в распределении атмосферных осадков, выпавших на поверхность Земли, является состав и свойства пород, слагающих поверхностную толщу земной коры. Многие горные породы состоят из твердых частиц различной величины, между которыми содержатся пустоты или поры.

 

Общий объем и размеры этих пор и пустот в разных породах весьма различны и зависят от размера частиц и степени их уплотнения. Так, например, глины могут содержать пустот 45–55%, а песок 27–40%. Однако по своим размерам пустоты могут быть крупными и мелкими. Просачивание воды в толщу горных пород происходит главным образом по крупным пустотам. По отношению к воде горные породы характеризуются следующими показателями:

 

  • влагоемкость – способность породы вмещать и удерживать в себе воду;

  • водоотдача – способность насыщенных водой пород, отдавать гравитационную воду в виде свободного стока;

  • водопроницаемость – способность горных пород пропускать гравитационную воду, главным образом зависит от характера пустот и трещин в породах, характеризуется коэффициентом фильтрации.

 

В зависимости от водопроницаемости горные породы делятся на три группы:

  • водопроницаемые – галька, гравий, песок, трещиноватые горные породы;

  • полупроницаемые – лёсс, супеси, легкие суглинки, некоторые сильнопористые песчаники и известняки;

  • водонепроницаемые, или водоупорные – глины, тяжелые суглинки, плотные не трещиноватые горные породы.

Характеристика типов подземных вод

 

Подземные воды по условиям залегания в земной коре подразделяют на: грунтовые воды, верховодку и межпластовые воды.

Верховодка – временное скопление подземных вод в зоне аэрации, над ограниченными по площади водоупорами, представленными линзами глин, суглинков в песке, прослойками более плотных пород. Чаще всего верховодка образуется в период обильных дождей и снеготаяния. При инженерно-геологических изысканиях верховодка не всегда обнаруживается, поэтому представляет значительную опасность для строительства. Залегая в пределах подземных частей зданий и сооружений может вызвать их подтопление. Кроме того, при возникновении аварийных ситуаций, например, утечке водонесущих коммуникаций, возникает техногенная верховодка.

 

Межпластовые подземные воды располагаются в водоносных горизонтах между водоупорами. По режиму (гидравлическому состоянию) эти воды делятся на ненапорные и напорные. Ненапорные межпластовые воды характеризуются наличием свободной поверхности, устанавливаемой под влиянием силы тяжести. Напорные воды имеют повышенное гидростатическое давление и стремятся повысить свой уровень в выработках, что связано с отсутствием свободного выхода воды в условиях изогнутости водоносного пласта и наличия водонепроницаемых кровли и подошвы.

 

Напорность вод характеризуется пьезометрическим уровнем. Высотное положение уровня связано с характером залегания водоносных слоев. Он может быть выше поверхности земли или ниже ее. В первом случае, выходя через буровые скважины, вода фонтанирует, во втором поднимается лишь до пьезометрического уровня.

Артезианский бассейн:

1 – область питания водой;

2 – пьезометрический уровень;

3 – водонапорный слой;

4 – водоупор;

5 – буровые скважины;

6 – поверхность земли;

Н – высота (величина) напора воды.

Для характеристики грунтовых вод данной местности устанавливают уровень грунтовых вод, а также направление и скорость движения воды в породе. При пересечении уровня грунтовых вод какой-либо выработкой (шурф, котлован, буровая скважина и пр.) с ее стен сочится вода, которая с течением времени заполняет часть выработки.

 

Уровень грунтовых вод не является постоянным. В зависимости от погодных условий (дождливая погода, сухой период года и пр.) глубина залегания грунтовых вод повышается или понижается.

 

Особенно сильно подвержены колебаниям грунтовые воды, лежащие близко к дневной поверхности.

 

Линии, соединяющие точки с одинаковыми абсолютными или относительными отметками уровней грунтовых вод называют гидроизогипсами.

 

На специальных гидрогеологических картах – картах гидроизогипс, гидроизогипсы проводятся, как горизонтали на топографических картах, через 1, 2, 3 и 5 м в зависимости от количества наблюдений и необходимой точности.

Гидрогеологическая съемка

 

Для правильного понимания гидрогеологических условий необходимо иметь четкое представление о геологическом строении и геоморфологии района.

 

Гидрогеологическая съемка выполняется в основном с помощью маршрутных исследований – комплексных полевых исследований гидрогеологических условий с целью их картирования. С ее помощью обосновывают выбор участка водозабора и выявляют запасы подземных вод и пр.

 

Различают следующие масштабы съемки:

 

  • крупномасштабные или специальные – они применяются для решения специальных, конкретных вопросов;

  • среднемасштабные, мелкомасштабные или общие – для общей оценки гидрогеологических условий районов и пр.

 

Результатом съемочных работ является гидрогеологическая карта территории и отчет по съемке. Гидрогеологические разрезы к карте отражают изменение этих условий по глубине.

 

Для составления сводной гидрогеологической карты используют различные вспомогательные гидрогеологические карты, имеющие самостоятельное значение, например, карты гидроизогипс.

напор грунтовых вод

Грунтовые воды образуют первый от поверхности водоносный горизонт — в рыхлых четвертичных2 и более древних по возрасту породах, над ними не имеется сплошной водонепроницаемой кровли. Как правило, это воды безнапорные (иногда с местным напором). Разновидности водоносных пород, к которым приурочены грунтовые воды, приведены в табл. 1.[ …]

Грунтовые воды — подземные воды первого от поверхности земли постоянного водоносного горизонта. Они образуются за счет инфильтрации атмосферных осадков, вод рек, озер, водохранилищ, притока поверхностных вод. Передвигаются по/1 действием разности напора. Схема образования грунтовых во/1 показана на рисунке 2. Из всех видов грунтбвых вод особое внимание уделяют так называемой верховодке.[ …]

Грунтовые воды — это воды, зале-гающие в первом от дневной поверхности водонепроницаемом слое, не обладающие напором, с уровнем, подверженным колебанию, но не исчезающие без изменения условий образования потока этих подземных вод деятельностью человека или стихийными силами природы.[ …]

ГРУНТОВЫЕ ВОДЫ — безнапорные или с местным напором подземные воды первого от поверхности постоянно существующего водоносного горизонта, расположенного на первом водоупоре.[ …]

Грунтовое питание обусловливается притоком подземных вод со стороны вышележащих площадей. При этом грунтовое питание может быть напорным или безнапорным. Если водоносный горизонт сверху прикрыт водоупорными породами, а рельеф местности имеет более или менее крутой наклон в одном направлении, то в этом случае грунт питает напорная вода. При завершении работ в карьере грунтовые воды подземного водоносного горизонта быстро поднимаются вверх и заполняют выработанные пространства до уровня, соответствующего напору водоносного горизонта. Все отвальные площади, расположенные ниже этого уровня или близко к нему, будут затоплены или заболочены, и их народнохозяйственное использование сопряжено с большими затратами.[ …]

Грунтовые воды, не перекрытые водоупорными породами, как правило, защищены значительно меньше, чем нижележащие горизонты напорных подземных вод, и обычно принимают основную часть инфильтрирующихся с поверхности загрязнений. Из грунтовых вод загрязнения могут затем проникать в более глубокие напорные и безнапорные горизонты с пониженными напорами — через литологические окна в водоупорах, при перетоке через слабопроницаемые раздельные горизонты, по заколонному пространству скважин вследствие их некачественного цементирования и т.д. .[ …]

Артезианские воды каменноугольных отложений обычно пресные с минерализацией 0,4-0,6 г/л, хорошего качества (гидрокарбонатные, магниевокальциевой группы). Исключением является полоса шириной 10 — 20 км, проходящая от Дедовска-Нахабино через Красногорск в южную часть Москвы. Здесь также имеет место пресная вода, но хлоридногидрокарбонатного класса натриево-магниево-кальциевой группы, что свидетельствует о региональном протекании загрязненных грунтовых вод в артезианские водоносные горизонты со сработанными напорами.[ …]

На состояние подземных вод в бассейне Москвы выше Рублево влияют также водозаборы, расположенные ниже Рублево, поскольку их воронки занимают в рассматриваемом районе существенные площади. Особенно заметно влияние Химкинского и Московского водозаборов с суммарным водоотбором около 500 тыс.мэ/сутки. Установлено, что восточнее меридиана Звенигорода избыточные напоры артезианских вод практически полностью сработаны. Эго привело к инверсии балансовой структуры потока подземных вод в карбоне: если ранее артезианские воды разгружались в Москву-реку и в ее притоки, то .сейчас, наоборот, из поверхностных и частично из грунтовых вод идет питайие ранее бывших артезианскими водоносных горизонтов. Величину, т. е. расходы воды, такого питания установить точно довольно трудно, однако в целом понятно, что на инфильтрацию в подземные воды расходуется значительная часть формируемых в рассматриваемой части бассейна Москвы водных есурсов. [ …]

Истытания по определению степени утечки воды из труб проводятся главным образом в сухих районах, где уровень грунтовых вод находится ниже уровня заложения трубы. Один из приемлемых методов испытания сводится к заполнению трубы водой под давлением и фиксации потерь расхода в течение определенного промежутка времени, так как при этом коллектор и смотровые колодцы подвергаются естественному напору воды. Чрезмерные напоры могут вызвать разрушения в нижних секциях коллектора; кроме того, испытание секций между смотровыми колодцами сопряжено с определенным риском. Максимальный используемый гидростатический напор обычно составляет 3 м. До начала измерения количества просачивающейся в грунт воды заполненный водой трубопровод выдерживают в течение 4 ч. За этот период как материал самой трубы, так и материал заполнения стыков насыщаются водой, а попавший в трубу воздух вытесняется. Нормы на максимально допустимую утечку колеблются от 10 до 45 л/сут на 1 км длины и 1 мм диаметра трубы, например, допустимой является утечка 25 л/сут на 1 км длины и на 1 мм диаметра трубы при напоре воды 3 м, тогда как в других случаях максимальной считается величина 20 л/сут на 1 км длины и на 1 мм диаметра плюс 10%-ное увеличение на каждые 0,6 м напора сверх первоначальных 0,6 м. [ …]

Исходя из особенностей характера движения грунтовых вод на подтопляемых территориях, Е. С. Дзекцером получены уравнения, учитывающие гравитационно-упругий режим грунтовых вод и изменение напора по вертикали [57].[ …]

Указанные нормы действительны при среднем напоре грунтовых вод до 4 м.[ …]

При укладке канализационных труб ниже уровня грунтовых вод необходимо ограничивать степень их проникания. Если в процессе производства работ не удается изолировать трубы от обильного проникания в них грунтовых вод, то канализационная сеть может превратиться в дренажную, т. е. отводящую в основном грунтовые воды, что, конечно, недопустимо. Сеть удовлетворяет предъявляемым к ней требованиям, если при ее испытании на инфильтрацию на 1 км сети в сутки прибавляется 10 м8 воды для дворовой сети диаметром 125—150 мм; для уличной сети всех диаметров; из керамических труб — 30 м3, бетонных и железобетонных труб — 40 м’; из кирпичных каналов—10 м3. Указанные нормы действительны при среднем напоре грунтовых вод до 4 м. [ …]

Ниже зоны аэрации находится зона полного насыщения водой, т.е. собственно зона грунтовых вод. Мощность пресноводных горизонтов в зоне насыщения изменяется в достаточно широких пределах от 10-20 до 300 м. В нижних горизонтах расположены пласты минерализованных вод. В общей толще пород в зоне пресных вод, как правило, выделяется несколько водоносных пластов, разделенных малопроницаемыми глинистыми пропластка-ми. Через эти пропластки посредством вертикальных перетоков возможно осуществление гидродинамической связи между водоносными горизонтами, причем, в зависимости от разности напоров эти перетоки могут быть восходящими или нисходящими.[ …]

Противонапорная гидроизоляция устраивается при уровне грунтовых вод выше основания (пола) погреба, как правило, со стороны напора воды (рис. 54).[ …]

Б. Л. Личков, подчеркивая динамическую связь между всеми водами зоны активного водообмена и поверхностными водами, дает более общее толкование термину «грунтовые воды», а именно грунтовые воды — это неглубоко залегающие безнапорные и с местным напором подземные воды в водоносных пластах, дренируемых реками или вскрываемых эрозионной сетью и понижениями рельефа. Такая трактовка понятия «грунтовые воды» получила широкое распространение в гидрологии.[ …]

Верхнюю часть земной коры в отношении распределения в ней подземных вод принято делить на две зоны: зону аэрации и зону насыщения. В зоне аэрации вода обычно не заполняет полностью поры и пустоты породы, а если и заполняет, то временно и не везде. В этой зоне непосредственно у поверхности земли в почвах залегают почвенные воды. В зоне насыщения поры породы заполнены водой и на различных глубинах в ней залегают грунтовые, межпластовые безнапорные и напорные воды. Подземные воды по степени подвижности и интенсивности водообмена с прверхностными водами (рек, озер, болот) различны. Наиболее подвижны воды так называемой зоны активного водообмена. Нижняя граница этой зоны намечается гидрогеологами на уровне базиса эрозии малых и средних рек. В этой зоне формируются грунтовые и межпластовые воды, безнапорные или с местным напором. Эти воды, дренируемые речными долинами и озерными котловинами, являются источником питания рек и озер и представляют собой наиболее устойчивую, зарегулированную часть речного стока. [ …]

Вблизи рек, озер, водохранилищ, морских побережий, оросительных каналов питание грунтовых вод происходит также путем фильтрации вод из этих водных объектов. В некоторых областях (например, на равнинах, прилегающих к Аральскому и Каспийскому морям) наблюдается питание грунтовых вод не только за счет атмосферных осадков, но и за счет вод глубоких водоносных горизонтов, поступающих под напором сквозь водоупорные кровли. Питание грунтовых вод межгорных впадин и подгорных равнин засушливой зоны в значительной мере осуществляется за счет подтока подземных вод горных районов, орошаемых дождевыми, снеговыми и ледниковыми водами. Глубина залегания грунтовых вод по мере удаления от гор уменьшается, и на некотором расстоянии от них располагается зона выклинивания этих вод с многочисленными источниками. Примерами могут служить Ферганская котловина, предгорные районы Средней Азии. В последние годы все большее распространение получает искусственное питание подземных вод, по существу, создание подземных водохранилищ, которым, несомненно, принадлежит большое будущее. [ …]

Величина миграции веществ-загрязнителей зависит от пористости грунта, коэффициента фильтрации, глубины залегания грунтовых вод, их уклона, положения водоупорного слоя, наличия литолого-фациальных замещений на пути фильтрации, плотности и вязкости отходов бурения, показателя гидростатического напора (уровня жидкости в амбаре-накопителе над уровнем грунтовых вод), интенсивности поступления атмосферных вод в зону аэрации и далее в грунтовые воды, агрессивности ОБР и от других причин.[ …]

Для этого используют различные виды дренажа (горизонтальный и вертикальный) и открытые каналы. Пахотные земли в настоящее время осушают преимущественно закрытым горизонтальным дренажем.[ …]

Постановка задачи. Расчет установившейся фильтрации (неизменной во времени) сводится к определению основных характеристик потока: направления фильтрации, величин и градиентов напора, скоростей движения грунтовых вод, а также фильтрационных расходов. Эти характеристики по методу ЭГДА определяют построением на модели гидродинамической сетки и несложными расчетами. [ …]

По расположению в сооружении различают дренажные устройства в днищах накопителей и дренажные устройства плотин. Дренажные устройства, выполняемые в днище накопителей, служат для снижения напоров жидкости в основании, когда уровни воды, в них существенно превышают уровни грунтовых вод окружающей местности и может быть утечка промышленных стоков в берега через основание, а также для защиты экрана от выпирания грунтовыми водами в процессе строительства и в первый период эксплуатации, когда над экраном еще нет необходимой загрузки. Для решена первой задачи применяют сеть горизонтальных дрен, объединенных в единую систему. При слабопроницаемых грунтах основания и на поверхности экрана эта сеть будет более сложной, чем на проницаемом песчаном или песчано-гравелистом основании ограниченной мощности, так как проницаемый слой послужит дреной.[ …]

Первый от поверхности водоносный комплекс на исследуемой территории сложен отложениями от уфимского яруса до четвертичных [18]. Он рассматривается именно как водоносный комплекс сложного гидрогеологического строения, а не как грунтовый горизонт, так как в пределах первого, наряду со свободной поверхностью (характеризующей грунтовые воды), широко развиты воды с местным напором (иногда достигающим десятков метров), что обусловлено широким развитием акчагыльских и апшеронских неогеновых глин (особенно в левобережной части долины р. Урал).[ …]

Реальные взаимоотношения строительства и геологической среды заслуживают специального анализа, поскольку не только строительство воздействует на геологическую среду, но и она воздействует на его ход (темпы, сложность, стоимость сооружения и его надежность в будущем). В ходе анализа формулируются и проверяются гипотезы воздействия строительных работ на компоненты геологической среды: повреждения и загрязнение почвенного и грунтового покрова, дренажных путей грунтовых вод и перераспределение загрязненных токсикантами грунтов в пределах урбанизированных территорий (на расстоянии до 20 — 40 км от крупных промцентров), нарушения режима верхних горизонтов подземных вод, особенно при залегании их в виде изолированных линз и наличии напоров. Физико-химические воздействия в ходе строительства часто связаны с протечками и разливами горюче-смазочных материалов.[ …]

Подземные воды в Саратовской области

Подземные воды являются наиболее надежным источником водоснабжения населения, поскольку они в основном защищены от поверхностного загрязнения. К сожалению, степень использования подземных вод на территории области в настоящее время далеко не соответствует природным гидрогеологическим возможностям, хотя естественные ресурсы подземных вод позволяют полностью решить проблему водоснабжения большинства населенных пунктов Саратовской области.

 

1.3.1. Ресурсы и использование подземных вод

Прогнозные эксплуатационные ресурсы подземных вод по основным водоносным горизонтам (комплексам) в целом по Саратовской области составляют 11364,8 тыс. м3/сут. По величине минерализации они распределяются следующим образом:

— с минерализацией до 1 г/дм3 – 7998,6 тыс. м3/сут.;

— с минерализацией 1-1,5 г/дм3 – 322 тыс. м3/сут.;

— с минерализацией 1,5-10 г/дм3 – 3044,2 тыс. м3/сут.

Обеспеченность ресурсами подземных вод питьевого качества (до 1,5 г/дм3) составляет около 3,17 м3 в сутки на одного человека.

Территория Саратовской области расположена в пределах трех артезианских бассейнов второго порядка: Приволжско-Хоперского, Сыртовского и Северо-Каспийского. Правобережье приурочено к юго-восточной части Приволжско-Хоперского артезианского бассейна. Восточная граница бассейна проходит по руслу реки Волги. Левобережье области южной частью расположено в Северо-Каспийском артезианском бассейне, а северной – большей частью – находится в пределах Сыртовского артезианского бассейна. Граница между бассейнами проходит по линии Красный Кут–Мокроус–Ершов–Дергачи.

Правобережье Саратовской области, расположенное в пределах Приволжско-Хоперского артезианского бассейна, является наиболее благоприятным по запасам и водообеспеченности. Здесь наиболее перспективными и интенсивно эксплуатируемыми являются водоносные горизонты (комплексы), приуроченные к отложениям мелового и палеогенового возрастов.

В разрезе верхнемеловых отложений в зависимости от структурного положения и литологического состава выделяются два разобщенных по площади водоносных горизонта: маастрихтский и кампан-сантонский.

Маастрихтский водоносный горизонт развит в северо-восточной части Правобережья и приурочен к трещиноватым мергельно-меловым отложениям. Мощность зоны трещиноватости в среднем составляет 30-40 м. Уровень подземных вод устанавливается на глубинах от 20 до 80 м, в зависимости от гипсометрии рельефа.

Кампан-сантонский водоносный горизонт распространен в центральной части Правобережья. Водовмещающие отложения представлены песком с прослоями песчаников, мощностью от 20 до 110 м в западной части своего распространения и толщей переслаивающихся глин, мела и мергеля в восточной части. В западной части подземные воды – грунтовые, к востоку горизонт перекрыт мощной толщей палеогеновых и маастрихтских отложений и имеет напорный характер. Состояние маастрихтского и кампан-сантонского водоносных горизонтов в естественных условиях изучается на участках Екатериновский и Карамышский.

На большей части Правобережья развит водоносный горизонт сеноманских отложений верхнего мела. Западнее р. Хопер водоносные отложения представлены крупно- и среднезернистыми песками, мощностью 25-30 м, восточнее – толщей, состоящей из глины, Алевритов и песков. Мощность песчаных пород составляет около 45 м. В центральной и восточной частях Правобережья водовмещающие породы горизонта представлены средне-мелкозернистым песком мощностью до 40-50 м. Воды сеноманских отложений, на большей части территории, пластовые, напорные, и лишь в местах выхода на поверхность развиты грунтовые воды. Питание подземных вод происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков, а также за счет перетока из вышележащих водоносных горизонтов.

Нижнемеловые отложения представлены альбским, аптским, барремским водоносными горизонтами.

Альбский водоносный горизонт развит практически на территории всего Правобережья, отсутствует только в районе саратовских дислокаций. Водовмещающие породы представлены мелко-среднезернистым песком с маломощными прослоями песчаников и глин, не выдержанных ни по мощности, ни по простиранию. Мощность песков изменяется от 40 до 100 м.В  Воды напорные. Питание подземных вод происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков, а также за счет перетока из вышележащих водоносных горизонтов. Разгрузка осуществляется в долины рек Волги, Баланды, Медведицы, Терешки, Хопра.

Площадь распространения водовмещающих аптских отложений совпадает с площадью распространения альбского водоносного горизонта. Водовмещающие отложения представлены песками мелко- и тонкозернистыми, алевритами глинистыми с прослоями песчаников. В западной части Правобережья пески мелкозернистые, постепенно переходящие к востоку в пески тонкозернистые и алевриты. Воды напорные.

Подземные воды барремских отложений в пределах Правобережья области развиты почти повсеместно. В западной и центральной частях водовмещающие породы представлены песком различной степени крупности с прослоями песчаников, в восточной преимущественно песком глинистым. Мощность водовмещающих пород 25-40 м. Воды пластовые, напорные. Питание водоносного горизонта происходит в основном за пределами области.

Левобережье Саратовской области, расположенное в пределах Сыртовского артезианского бассейна, характеризуется широким распространением неоген-четвертичных отложений, к которым приурочены наиболее перспективные для целей хозяйственно-питьевого водоснабжения водоносные горизонты и комплексы. Особенно широко пресные воды развиты в пределах площади, протягивающейся полосой от 20-30 до 70 км вдоль Саратовского и Волгоградского водохранилищ. Формирование подземных вод на остальной территории Левобережья происходит в условиях засушливого климата. Поэтому в центральном и дальнем Заволжье преимущественно развиты солоноватые и слабосоленые воды с минерализацией от 1,5 до 10 г/дм3 и выше. Основные эксплуатируемые водоносные горизонты (комплексы) на территории Левобережья приурочены к четвертичным, неогеновым, палеогеновым, меловым, пермским и верхнекаменноугольным отложениям.

Водовмещающие породы четвертичного возраста здесь представлены песчаными разностями с различной крупностью зерен и степенью глинистости: от песчано-гравийно-галечных до песков тонко- и мелкозернистых, глинистых. Водоносные горизонты четвертичных отложений гидравлически взаимосвязаны и объединены в единый водоносный комплекс. Общая мощность водовмещающих пород комплекса достигает 40 м, составляя в среднем 18-26 м. Воды безнапорные, субнапорные. Уровни подземных вод устанавливаются на глубине 1-15 м в прибрежной полосе и до 38 м на удалении от нее. Поток грунтовых вод направлен в сторону р. Волги. Питание подземных вод происходит за счет атмосферных осадков. Базисом разгрузки являются водохранилища и реки, впадающие в них.

Подземные воды неогеновых (акчагыльских) отложений пользуются очень широким распространением на территории Левобережья Саратовской области. В обводненной песчано-глинистой толще выделяется от 2 до 5 водоносных горизонтов, в различной степени взаимосвязанных и образующих единый водоносный комплекс. На одних участках преобладают пески от крупнозернистых с включением гравия и гальки до мелко- и тонкозернистых с прослоями и линзами глин и алевритов. На других – глины с прослоями и линзами не выдержанных по мощности песков, мелко- и тонкозернистых, глинистых. Эффективная мощность водовмещающих пород достигает 120 м, составляя в среднем 60-80 м. Воды пластовые, напорные. Пьезометрические уровни устанавливаются на глубинах от 5-10 м в долинах рек Волги и Б. Иргиза,В  до 90-95 м в пределах водоразделов. Питание водоносного горизонта происходит в основном за счет инфильтрации атмосферных осадков и за счет подпитки напорными и высоконапорными водами меловых и палеозойских отложений.

Подземные воды верхнемеловых-палеогеновых отложений распространены в юго-восточной части Левобережья.В  Мощность водонасыщенной зоны достигает 100 м, в среднем составляя 50-60 м. Воды безнапорные, грунтовые, уровни на глубинах 0,5-5 м в долине рек и 20-25 м на водоразделах. Питание водоносного горизонта происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков, разгрузка – в долину реки Чалыклы.

Подземные воды альбских отложений в Левобережье практический интерес для хозяйственно-питьевого водоснабжения представляют в южной части полосы, примыкающей к Волгоградскому водохранилищу. Водовмещающие породы представлены тонко- и мелкозернистыми песками мощностью 25-40 м. Воды напорные, пластовые. Уровень подземных вод устанавливается на глубинах до 20 м, а в долине р. Волги – выше поверхности земли. Питание водоносного горизонта осуществляется за пределами района, который является областью транзита. Разгрузка происходит в Прикаспийскую впадину.

Подземные воды верхнекаменноугольно-пермских отложений образуют единый водоносный комплекс, распространенный в северной части Левобережья области, в трещиноватых и кавернозных известняках и доломитах. Подземные воды безнапорные, субнапорные. Уровни подземных вод устанавливаются на глубинах от 3-9 м в долинах рек до 65-70 м на междуречьях. Питание водоносного горизонта происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков и перетока из других горизонтов. Разгрузка осуществляется в долины рек Большой и Малый Иргиз.

В Северо-Каспийском артезианском бассейне наиболее перспективным для водоснабжения водоносным горизонтом является горизонт верхнемеловых-палеогеновых отложений, описанный в Сыртовском артезианском бассейне и распространенный в северо-восточной части указанного бассейна.

Использование подземных вод. По состоянию на 1 января 2006 года по Саратовской области выявлены и разведаны эксплуатационные запасы подземных вод В (утвержденные ГКЗ, ТКЗ, принятые ТКЗ, НТС) по 73 месторождениям и участкам месторождений в количестве 1078,716 тыс. м3/сут., в том числе по категориям: А – 290,318;  – 248,761; С1 – 517,037 и С2 – 22,6 тыс. м3/сут. Запасы, подготовленные для промышленного освоения, составляют 675,299 тыс. м3/сут.

Анализ разведки месторождений питьевых и технических подземных вод за последние 10 лет (1996-2005 годы) показывает, что в период 1996-2001 годы месторождения подземных вод не разведывались, а с 2002 по 2005 год отмечается ежегодное увеличение количества разведанных месторождений.

За последние 10 лет утвержденные эксплуатационные запасы подземных вод увеличились с 921,5 до 973,769 тыс. м3/сут., то есть на 52,269 тыс. м3/сут. Общие эксплуатационные запасы возросли с 1001,63 до 1078,716 тыс. м3/сут., или на 77,086 тыс. м3/сут.

Не все разведанные месторождения подземных вод освоены. Из 73 месторождений, имеющихся на территории Саратовской области, водозаборы построены только на 35.

Общий объем добычи подземных вод в 2005 году в Саратовской области составил В 148,991 тыс. м3/сут., в том числе на месторождениях с утвержденными запасами –         20,775 тыс. м3/сут. Это на 19,006 тыс. м3/сут. меньше, чем в 2004 году. Добытый объем подземных вод составляет 22% от запасов, подготовленных для промышленного освоения, 15% от утвержденных запасов и 14% от всех разведанных запасов.

В течение последних 10 лет общий объем добычи подземных вод по области уменьшился с 259,68 тыс. м3/сут. (1996 год) до 148,991 тыс. м3/сут. (2005 год), то есть наВ В В В В В В  110,689 тыс. м3/сут.

Доля использования подземных вод в общем балансе хозяйственно-питьевого водоснабжения в среднем по области составляет 18%: в городах с населением более 100 тыс. человек – 2%, в городах и поселках городского типа численностью менее 100 тыс. человек –   46 %, в сельской местности – 69%.

Хозяйственно-питьевое водоснабжение осуществляется почти полностью за счет подземных вод (более 90%) в городах: Аркадак, Аткарск, Калининск, Маркс и Петровск; в рабочих поселках Базарный Карабулак, Свободный, Пинеровка, Черкасское, Духовницкое, Екатериновка, Каменский, Лысые Горы, Новые Бурасы, Озинки, Ровное, Романовка, Самойловка, Красный Текстильщик, Соколовый, Советское, Пушкино, Татищево, Светлый, Турки, Приволжский.В  В городах Вольск, Хвалынск, Шиханы, Красный Кут и р.п. Сенной доля подземных вод в балансе хозяйственно-питьевого водоснабжения составляет от 10 до 90%. В городах Балашов, Красноармейск, Пугачев, Ртищево, р.п. Степное – менее 10%. Подземные воды практически не используются в г. Ершов, г. Новоузенск, р.п. Красный Октябрь, р.п. Мокроус, р.п. Дергачи, р.п. Горный.

В настоящее время на территории области имеется около 4000 водозаборных скважин, из них примерно 2800 (70%) действующих, 1200 (30%) дефектных (требующих ремонта или подлежащих ликвидации). В большинстве случаев месторождения подземных вод эксплуатируются небольшими групповыми водозаборами, состоящими из 2-3 скважин. На территории области имеется 21 крупный водозабор с расходом воды более 1 тыс. м3/сут. Из них только 8 работают на запасах, утвержденных в установленном порядке.

Наиболее широко используются в качестве источника водоснабжения подземные воды в В Правобережье области и в полосе шириной от 20-30 до 70 км вдоль Волгоградского и Саратовского водохранилищ по Левобережью.

Крайне низка обеспеченность подземными водами районов Дальнего Заволжья, которые относятся к остродефицитной по водным ресурсам, засушливой климатической зоне. Доля использования подземных вод в общей структуре водопотребления недостаточна. Водоснабжение городских и сельских населенных пунктов там происходит в основном из поверхностных источников, качество которых не удовлетворяет требованиям к воде хозяйственно-питьевого назначения.

1.3.2. Загрязнение подземных вод

Общее количество пунктов наблюдений за состоянием подземных вод на территории Саратовской области составляет 2607 скважин, в том числе кВ  федеральной сети относится 247 скважин (9,5%),В  к территориальной – 105 скважин (4,0%).В  Ведомственная сеть состоит изВ  913 скважин (35%), объектнаяВ  — из 1342 скважин (51,5%).В 

Наблюдения проводятся большей частью за состоянием первого от поверхности водоносного горизонта, как правило, наименее защищенного и в первую очередь подверженногоВ  внешним воздействиям. На участках с техногенной нагрузкой под влиянием хозяйственной деятельности в 2005 году продолжалось ухудшение качества подземных вод.

На территории Саратовской области подземные воды основных эксплуатационных горизонтов, используемых для водоснабжения, характеризуются природным фоновым содержанием железа, которое зачастую превышает ПДК.

По состоянию на 1 января 2006 года на территории Саратовской области выявлено 193 очага загрязнения подземных вод, в том числе на 37 водозаборах. По 37 очагам загрязнения подземных вод информация о состоянии подземных вод отсутствует 5 и более лет. Вновь выявлено в 2005 году 7 очагов загрязнения подземных вод, из них 1 – на участке водозабора. На 5 очагах загрязнения состояние подземных вод улучшилось.

Наиболее крупные по площади очаги загрязнения – территории городов Саратова В (400 км2) , Энгельса (100 км2) и Балаково – ОАО В«Балаковские волокнаВ» (64 км2).

В подземных водах отмечено превышение значений минерализации и жесткости на 54 очагах (28%), содержания сульфатов и хлоридов на 41 очаге (21,2 %).

На более чем половине (57%) очагов загрязнения подземных вод повышено значение окисляемости перманганатной и БПК. Максимальные значения окисляемости перманганатной составляет В 2112 ПДК (грунтовые воды в районе поглощающей скважины Пугачевского НГДУ у с. Смородинка Перелюбского района), а В БПК вЂ“ 336 ПДК (территория ОАО В«Хенкель-ЮгВ»).

Загрязнение подземных вод нефтепродуктами отмечено на 144 очагах (72%). Степень загрязнения на 98 из них не превышает 10 ПДК. На 40 очагах степень загрязнения нефтепродуктами составляет 10-100 ПДК. На 6 очагах она превышает 100 ПДК. Максимальное загрязнение нефтепродуктами отмечается на предприятиях, деятельность которых связана с добычей, переработкой и хранением нефтепродуктов (ОАО В«Саратовский нефтеперерабатывающий заводВ» – 76408 ПДК, Колотовское месторождение углеводородов – 3261 ПДК, ГП В«Комбинат КристаллВ» – 662 ПДК, Увекская нефтебаза – 144,6 ПДК). На территории некоторых из этих предприятий на поверхности грунтовых вод отмечаются линзы плавающих нефтепродуктов. Мощность линз составляет от нескольких миллиметров до 3,15 м (ГП В«Комбинат В«КристаллВ») и 5,47 м (ОАО В«Саратовский нефтеперерабатывающий заводВ»). Кроме того, высокое содержание нефтепродуктов по-прежнему отмечено на территории ОАО В«Саратовский завод метизовВ» – 702,3 ПДК.

Загрязнение тяжелыми металлами отмечено на 16 очагах (8,3%), в том числе наВ В В В В В  В 6 водозаборах. Повышенное содержание тяжелых металлов в подземных водах отмечено на водозаборах Аркадакского, Аткарского и Красноармейского районов и имеет, скорее всего, природный характер: предположительно связано с литологическим составом водовмещающих пород. Из тяжелых металлов в значениях выше ПДК отмечаются свинец, кадмий, кобальт, никель. Степень загрязнения тяжелыми металлами на территории отдельных предприятий достигает 41 ПДК. Максимальное загрязнение свинцом отмечено на территории ОАО В«ЭлектроисточникВ» (41 ПДК) и на территории завода УХО в поселке Горном – 34 ПДК (данные опробования 2004 года) На территории ОАО В«Завод АИТВ» отмечено загрязнение подземных вод кадмием в количестве 40 ПДК. Высокое содержание в подземных водах никеля отмечено на территории предприятия ОАО В«Роберт-Бош СаратовВ» – 18 ПДК.В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В 

Таблица 1.14. Распределение выявленных участков загрязнения подземных вод по загрязняющим веществам и интенсивности загрязнения, единицы ПДК

Загрязняющие вещества

Кол-во участков загрязнения / в т. ч. выявленные в 2005 г.

Интенсивность загрязнения подземных вод

1 — 10

10 — 100

> 100

Минерализация (сухой остаток), жесткость общая

54/3

23/-

29/2

2/-

Сульфаты, хлориды

41/3

18/2

21/1

2/-

Соединения азота

90/3

65/2

15/-

10/1

Нефтепродукты

144/6

98/4

40/2

6/-

Фенолы (фенольный индекс)

15/1

14/-

1/1

Другие органические соединения

109/7

59/5

36/1

15/1

Соединения железа

48/3

13/1

16/-

19/2

Марганец

34/4

14/2

20/2

Тяжелые металлы

16/-

13/-

3/-

Другие неорганические соединения

68/1

33/1

26/-

9/-

Температура

12/-

12/-

Примечание

1. В строку В«другие органические соединенияВ» включены выявленные в подземных водах органические соединения: окисляемость перманганатная, БПК-5, ХПК, жиры, метанол, диэтиленгликоль.

2. В строке В«другие неорганические соединенияВ» указаны выявленные в подземных водах неорганические соединения: алюминий, бор, бром, барий, йод, кальций, кремний, литий, магний, сероводород, мышьяк, натрий, СПАВ, стронций, фтор, фосфаты, цианиды.

 

Кроме химического загрязнения, на территории области на 12 выявленных очагах отмечается термальное загрязнение (на предприятиях энергетического комплекса: СарГРЭС, ТЭЦ-1, ТЭЦ-2, ТЭЦ-3, ТЭЦ-4, ТЭЦ-5, Балаковская АЭС, а также на территории ОАО В«Завод АИТВ», ОАО В«ЭлектроисточникВ» и ООО В«СаратоворгсинтезВ»), в среднем на 3,6-4,5 оВ  относительно фоновых В значений температуры подземных вод. В наибольшей степени подвержены термальному загрязнению подземные воды на территории СарГРЭС, ТЭЦ-3 и ТЭЦ-5.

Высокоопасные вещества обнаружены на 58 выявленных очагах загрязнения (30%). Из высокоопасных веществ отмечаются бор, бром, натрий, метанол (нефтесборный пункт 22 Лимано-Грачевского месторождения нефти, Соколовогорский нефтепромысел, Колотовское, Западно-Рыбушанское, Гусельское месторождения углеводородов, Степновская и Елшано-Курдюмская станции подземного хранения газа). На предприятиях химической промышленности из высокоопасных загрязняющих веществ отмечаются свинец (ОАО В«ЭлектроисточникВ» – 41 ПДК), кадмий (ОАО В«АИТВ» – 40 ПДК), литий, стронций (ОАО В«Саратовский завод метизовВ» – соответственно 8,6 и 1,3 ПДК). На территории ООО В«Балаковские минеральные удобренияВ» отмечена высокая степень загрязнения подземных вод фтором (27 ПДК).

Из опасных загрязняющих веществ отмечаются соединения азота, марганец, никель, фосфаты, железо, диэтиленгликоль. Соединения азота (аммиак, нитраты и нитриты) в значениях, превышающих ПДК, отмечены на 47% выявленных очагов загрязнения. Из умеренно опасных веществ на территории области отмечаются сульфаты и хлориды. Превышение содержания сульфатов и хлоридов отмечено на 41 очаге загрязнения (21%) и отмечается чаще всего на месторождениях углеводородов и на предприятиях химической промышленности.                                              

Таблица 1.15. Распределение выявленных участков загрязнения подземных вод по классам опасности В загрязняющих веществ

Класс опасности загрязняющих

веществ

Количество

В участков

Доля от общего количества участков, %

1-й класс – чрезвычайно опасные

2-й класс – высокоопасные

58

30

3-й класс – опасные

127

65,0

4-й класс – умеренно опасные

35

18,0

Класс опасности не определен (5)

174

90,0

На выявленных очагах загрязнению подвержены в первую очередь подземные воды водоносного горизонта четвертичных отложений. Кроме того, отмечено загрязнение подземных вод неогеновых, палеогеновых, меловых, юрских, пермских и каменноугольных отложений в местах их непосредственного выхода на поверхность.

По типу загрязнения подземных вод на территории области отмечаются в основном очаги с промышленным типом загрязнения (114 очагов – 59%), сельскохозяйственнымВ В В В В В В  (12 очагов – 6%), коммунальным (23 очага – 12%). На 19 очагах (10%) загрязнение вызвано разного рода деятельностью (смешанное). На 25 очагах (13%) источник загрязнения установить не удалось.

В результате ведения мониторинга подземных вод выявлено, что в пределах селитебных зон качество грунтовых вод в большинстве случаев не соответствует санитарным нормам не только по органолептическим, но и по таким обобщенным показателям, как жесткость общая, окисляемость перманганатная, азотсодержащие компоненты, нефтепродукты, СПАВ. Максимальное загрязнение грунтовых вод отмечается в зонах влияния крупных промышленных объектов. Загрязненные грунтовые воды могут оказывать отрицательное влияние и на хорошо защищенные межпластовые водоносные горизонты. Выборочное опробование показало, что при существующей практике строительства эксплуатационных скважин путем оборудования их одной фильтровой колонной без изоляции грунтового горизонта обсадными трубами происходит переток загрязненных грунтовых вод по затрубному пространству в процессе их эксплуатации. Следовательно, при сооружении эксплуатационных скважин на межпластовые водоносные горизонты организациям, проводящим их проектирование и сооружение, необходимо предусматривать тщательную изоляцию грунтовых вод.

1.3.3. Минеральные и промышленные подземные воды

Саратовская область обладает большими запасами минеральных и промышленных вод, которые являются ценными полезными ископаемыми. К настоящему времени на территории области выявлено 16 месторождений минеральных подземных вод и 9 месторождений, перспективных в качестве источников гидроминерального сырья.

Минеральные подземные воды

В настоящее время на территории области разведано 16 месторождений минеральных подземных вод. По состоянию на 1 января 2006 года разведанные эксплуатационные запасы минеральных подземных вод (утвержденные ГКЗ, ТКЗ, принятые НТС) составляютВ В В В В В В В  4,657 тыс. м3/сут., в том числе по категориям: А – 1,056 тыс. м3/сут.,  – 0,519 тыс. м3/сут.,В  С1 – 0,525 тыс. м3/сут., С2 – 2,557 тыс. м3/сут. Запасы, подготовленные для промышленного освоения, определены в объеме 1,575 тыс. м3/сут.

из 16 разведанных месторождений минеральных вод освоено 12, эксплуатировалось в 2005 году 7 месторождений: Соколовогорское, Девичьегорское (готерив-волжский водоносный комплекс), Девичьегорское (байосско-среднекаменноугольный водоносный комплекс), Чапаевское, Балаковское, Балашовское-1, Грязнухинское.

Общий объем добытой минеральной воды в 2005 году составил 0,0436 тыс. м3/сут., или менее 1% от разведанных эксплуатационных запасов и 3% от запасов, подготовленных для промышленного освоения. Из общего количества добытой минеральной воды использовано 0,0335 тыс. м3/сут.,что на 0,0064 тыс. м3/сут. меньше, чем в 2004 году.

По своему назначению минеральные воды делятся на питьевые (лечебные, лечебно-столовые, столовые) и бальнеологические.

На территории области разведано десять месторождений питьевых лечебно-столовых вод. Это Падовское, Лысогорское, Девичьегорское (готерив-волжский водоносный комплекс), Балашовское-1, Балашовское-2, Грязнухинское, Ершовское, Репнинское, Новопольское и Терновское. Вода этих месторождений может быть использована для питьевого курсового лечения в санаторно-курортных учреждениях, а также для промышленного розлива. Питьевые лечебно-столовые и столовые воды разнообразны по химическому составу, минерализации и содержанию биологически активных компонентов. По степени минерализации воды изменяются от пресных (0,8-1 г/дм3) и маломинерализованных (1,5-3 г/дм3) до среднеминерализованных (6,6-8,7 г/дм3). По химическому составу воды хлоридные натриевые и сульфатно-хлоридные кальциево-натриевые, а также смешанного химического состава. В воде Девичьегорского месторождения установлено содержание брома (0,022-0,027 г/дм3).

В соответствии с ГОСТ 13273-88 воды являются питьевыми лечебно-столовыми, близкими аналогами Нижне-Сергиевского, Хиловского, Миргородского, Минского, Луганского, Ачалукского и Чартакского типов вод, показанных для лечения хронических гастритов, колитов, не осложненных язвенной болезнью желудка и двенадцатиперстной кишки, хронических заболеваний печени и болезней обмена веществ и др. Использование лечебно-столовых минеральных подземных вод заводами розлива не имеет четко выраженного увеличения или уменьшения. По сравнению с 2004 годом использование лечебно-столовых вод увеличилось на 0,0001 тыс. м3/сут.

На территорииВ  областиВ  разведано шесть месторождений бальнеологических минеральных вод: Соколовогорское, Черемшанское, Шумейское, Девичьегорское (байосско-среднекаменноугольный водоносный комплекс), Чапаевское и Балаковское. Широкое площадное распространение имеют минеральные воды четырех бальнеологических групп: без специфических компонентов и свойств, сульфидные, бромные и йодные, железистые. Потребности существующих и проектируемых лечебно-оздоровительных учреждений в минеральных водах вышеперечисленных бальнеологических групп могут быть полностью удовлетворены за счет местных гидроминеральных ресурсов.

Бальнеологические минеральные воды по химическому составу хлоридные, натриевые, сероводородные, бромные, борсодержащие. По степени минерализации – от среднеминерализованных (9 г/дм3) до высокоминерализованных (33 г/дм3).

Воды напорные и высоконапорные, скважины самоизливаются. Воды показаны для наружного применения в виде ванн при лечении болезней опорно-двигательного аппарата, сердечно-сосудистой и нервной систем, гинекологических, кожных и других заболеваний.

Использование бальнеологических подземных вод санаториями, курортами, лечебницами, профилакториями постоянно растет. В 2005 году по сравнению с 2004 годом увеличение составило 0,0172 тыс. м3/сут.

Промышленные подземные воды

В подземных водах концентрация некоторых компонентов иногда достигает таких значений, что становится выгодным добывать их для промышленных целей. Результаты исследований, проведенных лабораторией гидрогеологии НВНИИГГ, свидетельствуют о том, что подземные воды палеозойских отложений, залегающие на глубинах более одного километра, в Саратовской области почти повсеместно содержат высокие (промышленные) концентрации брома, стронция и цезия. Во многих случаях в водах отмечаются также высокие содержания рубидия, калия, йода, бора и прочих микрокомпонентов. Это позволяет рассматривать глубокозалегающие подземные воды в качестве гидроминерального сырья.

Особый практический интерес представляют попутные воды нефтяных и газовых месторождений. Эти воды добываются совместно с углеводородным сырьем и в настоящее время являются отходами производства.

Основная добыча углеводородного сырья Саратовской области осуществляется предприятиями ОАО В«СаратовнефтегазВ». Попутные воды достигают 60-80% от общего объема добываемой продукции.

По результатам многолетних исследований (1988-1994 годы), проведенных НВНИИГГ и ВСЕГИНГЕО, попутные воды на всех нефтесборных пунктах ОАО В«СаратовнефтегазВ» характеризуются стабильностью химического состава и высоким содержанием ценных промышленных микрокомпонентов. Минерализация их составляет 120-195 г/дм3, а концентрация микроэлементов в среднем (мг/дм3): брома – 500, йода – 8, окиси бора – 150, калия – 1000, лития – 7, стронция – 400, рубидия – 3, цезия – 0,7. Ориентировочные расчеты свидетельствуют о том, что из попутных вод нефтяных и нефтегазовых месторождений, эксплуатируемых ОАО В«СаратовнефтегазВ», за год можно добывать: брома 750 т, йода 11 т, бора 33 т, калия 1500 т, лития 9 т, стронция В 650 т, рубидия 6 т, цезия 1 т.

В 1990 году СГГЭ ПГО В«НижневолжскгеологияВ» совместно с ВСЕГИНГЕО была проведена оценка запасов попутных вод нефтепромыслов Саратовской области. В процессе проведенных работ выявлено 9 месторождений, перспективных на гидроминеральное сырье, в пределах Соколовогорского, Степновского и Грязнухинского нефтепромыслов.

Суммарные, подсчитанные на стадии специальной оценки поискового этапа, запасы попутных вод изученных нефтяных месторождений составили 1286,7 тыс. м3/год. Запасы отнесены к категории С1. При комплексной переработке этих запасов возможно получение следующей товарной продукции (в т/год): йода технического до 735, брома технического до 839, магнезии жженой до 8568, гипохлорида кальция до 1613, стронция углекислого до 1308, поваренной соли до 138279.

В целом результаты исследований свидетельствуют о высокой перспективности использования попутных вод в качестве источника гидроминерального сырья как на поисково-разведочных объектах, так и на разрабатываемых месторождениях ОАО В«СаратовнефтегазВ».

Оглавление. Состояние окружающей среды в Саратовской области в 2005 г.

Основные понятия о подземных водах

  1. Главная
  2. Полезная информация
  3. Основные понятия о подземных водах

Подземные воды — это воды, находящиеся в горных породах в верхней части земной коры в жидком, твёрдом и газообразном состоянии. Подземные воды бывают связанные и свободные.

Связанные подземные воды находятся в водоупорных и условно-водоупорных слоях, представленных глинами или суглинками. Такие воды не имеют особого интереса в промышленном и хозяйственном назначении.

Говоря о поиске и разработке подземных вод, всегда имеют в виду свободную гравитационную воду, содержащуюся в песках, песчаниках и трещиноватых известняках. Пласты пород, вмещающих такую воду, называют водоносными горизонтами. Воды в этих горизонтах находятся в постоянном движении как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении, поэтому нередко можно услышать термин «подземные реки», хотя, на наш взгляд, такое определение не совсем корректно, и даже может вводить обывателя в заблуждение о том, что существуют некие подземные полости, в которых течёт вода.

Проходя через толщу пород, вода чрезвычайно эффективно фильтруется, в ней растворяются полезные минеральные вещества и соли. При этом по количеству растворенных в воде минералов подземные воды следует разделять на пресные (до 1 г/л) и минерализованные (более 1 г/л).

Кроме того, по условиям залегания подземные воды также разделяются на два типа: напорные и безнапорные. Грунтовые воды — это безнапорные воды первого от поверхности водоносного горизонта, расположенного на первом водоупорном слое. Иногда при производстве буровых работ специалисты, плохо знающие геологический разрез местности, могут принять так называемую «верховодку» за грунтовые воды. Однако, в отличие от грунтовых вод, «верховодка» представляет собой сезоннодействующий водоносный горизонт, который может пропасть в меженный период.

Грунтовые воды имеют свободную поверхность, их уровень повторяет рельеф местности, питание осуществляется за счёт атмосферных осадков поверхностных вод. Так как грунтовые воды тесно сообщаются с поверхностью, их качество в значительной мере зависит от внешних факторов и хозяйственно-бытовой деятельности человека. С течением времени и изменением влияния на водоносный горизонт качество таких вод может как улучшиться, так и в значительной степени ухудшиться.

Воды артезианских бассейнов — это напорные воды, заключенные в водоносных пластах горных пород между водоупорными слоями. Большинство людей знают, что артезианские воды обладают лучшими свойствами по сравнению с грунтовыми водами и, тем более, водами «верховодки». Но мало кто знает, почему так происходит.

Всё дело в областях питания артезианских горизонтов. Водовмещающие породы, к примеру, трещиноватые известняки, залегают на значительной глубине (от 20 до 400 м), пласты их имеют широкое распространение и большую мощность, питание осуществляется за счёт инфильтрации атмосферных осадков, поверхностных вод и перетока из вышележащих горизонтов, т. е. нет непосредственной связи с поверхностью, как в случае с грунтовыми водами. Проходя по толще породы, иногда сотни километров, от области питания до скважины, вода фильтруется и становится кристально чистой.

Подземные воды

Воды, находящиеся в толщах горных пород верхней части земной коры в жидком, твердом и газообразном состоянии называются подземными водами.

По своему происхождению подземные воды делятся на 3 группы: вадозные, ювенильные, седиментационные воды – сохранившиеся в недрах воды древних водоемов.

Запасы подземных вод и условия их залегания зависят от состава горных пород определяющего пористость (наличие капиллярных пор) и скважность (присутствие капиллярных пустот). Они определяют влагоемкость (способность удерживать воду) и влагопроницаемость (способность пропускать через себя воду). Отсюда деление горных пород на водопроницаемые (песок, галечник) и водоупорные (глина, глинистый сланец).

Верхнюю часть земной коры в зависимости от особенностей распределения в ней подземных вод делят на зону аэрации в которой вода обычно не заполняет полностью поры и пустоты породы и зону насыщения поры породы которой заполнены водой.

Воду, содержащуюся в горных породах условно делят на

  1. химически связанную, входящую в молекулу вещества гидроксильной группой;
  2. парообразную, находящуюся в порах и пустотах пород и перемещающуюся, под влиянием разности упругостей пара;
  3. гигроскопическую – адсорбированную частицами породы и покрывающую их слоем в одну молекулу;
  4. пленочную – обволакивающую частицы породы поверх гигроскопической воды, она может перемещаться между частицами пород;
  5. капиллярную – заполняет сравнительно мелкие поры породы, перемещается под влиянием капиллярных сил;
  6. гравитационную или свободную – заполняет некапиллярные пустоты породы и перемещающаяся под действием силы тяжести;
  7. дополнительно к названным отдельно рассматривают воду в составе мерзлых почв, льда, не полностью разложившейся органики и в живых организмах.

Воды, залегающие выше первого водоупора – верховодка, между двумя водоупорными слоями – межпластовые (безнапорные и напорные).

Подземные воды могут выходить на дневную поверхность на склонах речных долин, в балках, оврагах. Такие выходы называются источники (родники, ключи). Особенно мощные выходы подземных вод наблюдаются в предгорьях на наклонных равнинах, в карстовых районах.

Для подземных вод характерны различные режимы: промывной (если ГКО больше испаряемости), непромывной, выпотный

По температуре подземные воды делятся на переохлажденные (ниже 0ºС), холодные (0-20 ºС), и термальные: теплые (20-37 ºС), горячие (37-50 ºС), очень горячие (50-100 ºС) и перегретые (более 100 ºС). Воды могут быть пресными, если содержание в них солей не превышает 1 г/л, солоноватыми (1-10 г/л), соленые (10-50 г/л) и рассолы (более 50 г/л).

Подземные воды имеют важнейшее значение для человека и в первую очередь как источник пресных вод для водоснабжения, особенно в засушливых районах, также их используют для нужд промышленности и сельского хозяйства (в том числе для орошения). Минеральные подземные воды используются в медицине, термальные – для нужд отопления. К сожалению, излишний отбор подземных вод зачастую проводит к истощению их запасов, просадкам грунтов, их загрязнению.

 


Подземные воды – это воды, находящиеся в горных породах в жидком, твердом и газообразном состоянии. В верхней части земной коры они образуются в основном из атмосферных осадков и называются вадозными. Вадозные воды подразделяются на три группы: инфильтрационные – просачивающиеся сквозь зернистые породы, инфлюационные – втекающие в глубь пород по трещинам, и конденсационные, образующиеся из водяного пара воздуха, находящегося в подземных порах и трещинах. Глубокие горизонты вод могут быть магматического происхождения (ювенилъные воды) или реликтовыми, сохранившимися со времен накопления морских осадков (седиментационные воды), т.е. это остатки древних водоемов.

Условия залегания и запасы подземных вод зависят от вещественного состава горных пород, определяющего их водно-физические свойства. Среди них важны пористость – наличие капиллярных пор и скважность – присутствие некапиллярных пустот. Они обусловливают такие важные свойства пород, как влагоемкость и водопроницаемость.

 

Влагоемкостъ – способность пород удерживать определенное количество воды. По влагоемкости горные породы подразделяются на сильновлагоемкие (торф, глина и др.), слабовлагоемкие (лёсс, мелкий песок и др.), невлагоемкие (галька, гравий, крупный песок и др.). Водопроницаемость – способность пород пропускать через себя воду. Обычно в земной коре, особенно на равнинах, чередуются слои различной водопроницаемости. Рыхлые породы (песок, гравий, галька) и трещиноватые скальные (известняк, опока, доломиты), хорошо пропускающие воду, называются водопроницаемыми, плотные породы (глины, глинистые сланцы и др.), которые задерживают воду,– водонепроницаемыми (водоупорными). Просочившаяся сверху вода задерживается на водоупорных слоях, заполняя пустоты рыхлых и трещиноватых водопроницаемых пород, в которых образуется водоносный горизонт.

Воды в рыхлых породах относятся к типу пластовых. Они равномерно распределены по всему пласту. Воды в трещиноватых породах называются трещинно-жильными, они движутся по крупным пустотам и трещинам. Мелкозернистым рыхлым породам свойственно ламинарное движение воды. В крупнообломочных и трещиноватых породах может происходить турбулентное движение, свойственное открытым потокам.

Воду, содержащуюся в породах, условно делят на разные категории, из которых для природных процессов наиболее важны два вида жидкой воды – капиллярная и гравитационная, так как они усваиваются растениями и участвуют в почвообразовании, рельефообразовании и поверхностном круговороте воды на Земле.

Капиллярная вода заполняет мелкие поры породы и передвигается в них под влиянием менисковых сил из зоны большего увлажнения в зону меньшего увлажнения. Различают капиллярную подпертую и подвешенную воду. В первом случае капиллярная вода соприкасается с верхним водоносным горизонтом, что характерно для гумидного климата. Во втором случае капиллярная вода отделена от него, что типично для зон недостаточного увлажнения.

Гравитационная – свободная вода, заполняющая некапиллярные пустоты породы. Под влиянием силы тяжести она просачивается в породе сверху вниз и движется в горизонтальном направлении, а под влиянием гидростатического напора может подниматься вверх, как в сообщающихся сосудах. Гравитационная вода обеспечивает миграцию химических элементов, от нее зависят условия проникновения в почвогрунты кислорода и соответственно аэробные и анаэробные условия почвообразования.

В зоне многолетнемерзлых пород – геокриозоне вода находится в твердом состоянии, либо в виде льдистых почвогрунтов, либо в виде линз ископаемого льда. Этим обусловлена специфика почвообразования и форм рельефа геокриозоны.

Водный режим почвогрунтов зависит от климата и от таких их свойств, как влагоемкость и водопроницаемость. Выделяют следующие типы водного режима почвогрунтов. Промывной тип существует в условиях влажного климата, при котором происходит ежегодное промачивание всей почвенно-грунтовой толщи до водоносного горизонта. Непромывной тип наблюдается в условиях умеренно-недостаточного неустойчивого увлажнения, при котором нет сплошного промачивания почвенно-грунтовой толщи и почвенная вода представлена формой подвешенной капиллярной воды. Выпотной тип существует в засушливом климате в условиях неглубокого залегания водоносного горизонта и резкого преобладания испаряемости над осадками. Застойный тип наблюдается в понижениях в условиях гумидного климата. Мерзлотный тип имеет место, когда летом почва перенасыщена водой, несмотря па небольшое количество осадков, поскольку неглубоко залегает мерзлый водоупорный слой.

По температуре подземные воды подразделяют на переохлажденные (ниже 0°С), холодные (от 0 до 20°С) и термальные: теплые (20-7°С), горячие (37-50 °С), очень горячие (50-100 °С) и перегретые (свыше 100°С). Высокотермальные воды в районах современного вулканизма (Исландия, Камчатка) используются для отопления жилищ, строительства геотермальных электростанций, тепличного теплоснабжения и т. д.

Подземные воды, которые благодаря своим физико-химическим свойствам оказывают благотворное физиологическое воздействие на организм людей и используются для лечебных целей, называются минеральными. Многие термальные воды тоже содержат различные полезные соли и газы и имеют бальнеологическое значение. Среди минеральных вод по степени минерализации выделяют воды: солоноватые (1-10 г/л), соленые (10-50 г/л) и рассолы (более 50 г/л). Химический состав минеральных вод весьма разнообразный: бывает углекислая вода (Кисловодск и другие курорты района Кавказских Минеральных вод. Боржоми, Карлови-Вари и др.), азотная (Цхалтубо), сероводородная (Мацеста), железистая, радоновая и др.

В речных долинах, в предгорьях, в балках и оврагах водоносные пласты могут вскрываться, образуя естественные выходы подземных вод на поверхность – источники (родники, ключи). Количество воды, даваемое родником (колодцем или скважиной) в единицу времени, называется дебитом (л/с, м3/с, м3/сут. ). По характеру выхода вод на поверхность источники подразделяются на нисходящие (свободный сток грунтовых и межпластовых ненапорных вод) и восходящие (выходы напорных вод). В лечебных целях особенно ценятся минеральные источники.

Особым типом источников являются гейзеры – фонтанирующие источники, периодически выбрасывающие горячую воду и «пар» на большую высоту. Известностью пользуются Большой Гейзер в Исландии, высота фонтана которого достигает 55 м, гейзер Великан на Камчатке с высотой фонтана горячей воды (95-97°С) до 50 м, а столба «пара» – до 300 м, интервал извержения около 4 ч, который дает начало реке Гейзерной. Крупнейший гейзерный район – Йеллоустонский национальный парк в Скалистых горах США.

Подземные воды имеют большое значение в природе и хозяйственной деятельности людей. Это важный постоянный источник питания рек и озер. Они снабжают растения влагой и растворенными в воде питательными веществами. Подземные воды принимают участие в формировании оползневого, карстового, суффозионного и другого рельефа. При близком залегании от поверхности они вызывают процессы заболачивания. Пресные воды используются человеком для водоснабжения, промышленности, орошения и обводнения земель. Минеральная вода используется для лечебных целей и является источником химического сырья (глауберова соль, бура, йод и др.). Термальные воды дают тепло для обогрева зданий и теплиц.

Подземные воды, особенно пресные – национальное богатство каждой страны. Необходимо бережно их расходовать и охранять от сточных и промышленных вод, химических удобрений и ядохимикатов. В местах продолжительного интенсивного забора подземных вол на глубине образуются пустоты и часть территории оседает (Мехико, Токио). По возможности необходимо искусственное пополнение запасов пресных подземных вод во время половодий и паводков на реках, для чего уже разработаны и внедряются различные технологические приемы, основанные на фильтрации  воды в грунт.

Велика специфика подземных вод в области многолетней (вечной) мерзлоты которая занимает около четверти суши на земном шаре. С поверхности над слоем многолетнемерзлой породы залегает деятельный слой, который зимой промерзает, летом оттаивает. Мощность его составляет от 0,5 м до нескольких метров. К деятельному слою приурочены надмерзлотные воды, но есть еще межмерзлотные и подмерзлотные воды, которые залегают соответственно внутри мерзлой толщи или на водоупоре под ней. Он обычно сильно минерализованные. Надмерзлотные воды питаются атмосферными осадками, необильны, слабо минерализованы, летом ненапорны, осенью могут становиться напорными, зимой замерзают, в теплый сезон используются для бытовых нужд. Для хозяйственных и бытовых нужд зимой пользуются межмерзлотными и подмерзлотными водами.

Литература.

  1. Любушкина С.Г. Общее землеведение : Учеб. пособие для студентов вузов, обучающихся по спец. «География» / С.Г. Любушкина, К.В. Пашканг, А.В. Чернов; Под ред. А.В. Чернова. — М. : Просвещение, 2004. — 288 с.

Еще статьи о водах суши.

Грунтовые и межпластовые безнапорные воды

Грунтовые и межпластовые безнапорные воды

Грунтовыми водами в узком понимании этого определе­ния называют свободные гравитационные воды водоносного гори­зонта, залегающего на первом водоупорном слое.

В зависимости от характера залегания горных пород различают грунтовой поток и грунтовой бассейн (Рис. 3). В природе наблюдаются различные сочетания этих разновидностей залегания.

      Рис. 3. Схема залегания грунто­вых вод:

                  а — грунтовой поток, б — грунтовой бассейн.

Воды, залегающие в водопроницаемой толще пород, заключен­ной между двумя водоупорными слоями, называют межпластовыми водами. Верхний водоупорный слой в этом случае назы­вается водоупорной кровлей, а нижний — водоупорным ложем. Грунтовые воды имеют обычно свободную уровенную поверхность. Свободную поверхность имеют и межпластовые воды, в том случае, если они безнапорные или если водоносная порода насыщена водой непол­ностью.

Скопления подземных вод отмечаются как в рыхлых обломоч­ных породах, так и в трещиноватых массивных изверженных или сильно метаморфизированных оса­дочных породах. В первом случае воды относятся к типу пласто­вых вод. Они обычно равномер­но распределены по всему пласту и движение их осуществляется по мелким порам и пустотам между зернами, слагающими породу. Во втором случае воды называются трещинно-жильными. Рас­пространение их и движение при­урочено к трещинам и крупным пу­стотам. Не всегда можно четко раз­граничить пластовые воды и трещинные, поэтому различают трещинно-пластовые воды.

Площадь распространения грунтовых вод, за редким исключе­нием, совпадает с площадью их питания, т. е. с областью, в преде­лах которой воды атмосферных осадков проникают в почву и грунт и могут пополнять запасы грунтовых вод. Площадь распростране­ния межпластовых вод не совпадает с областью их питания. Основ­ные области питания этих вод приурочены к местам выходов водо­носной породы на земную поверхность. Дополнительное питание межпластовые воды получают за счет просачивания вод из вышерасположенных водоносных горизонтов через относительные водоупоры.

Рекомендуемые файлы

Грунтовые воды формируются:

— на междуречных массивах,

— в аллювиальных отложениях речных долин,

— в предгорных конусах вы­носа;

— в областях ледниковых отложений,

— в межгорных впадинах и котловинах,

— в местах накопле­ния песчано-галечных отложений горных рек,

— в областях распро­странения карста.

В естественных условиях зеркало грунтовых вод представляет собой обычно не горизонтальную поверхность, а волнистую и весьма часто в сглаженной форме повторяет наземный рельеф. Это объяс­няется различными причинами: неоднородностью пород в отноше­нии проницаемости как в зоне аэрации, так и в зоне насыщения, различной скоростью просачивания и различными условиями пита­ния грунтовых вод и выхода их на поверхность в местах пересе­чения водоносного пласта долинами рек, оврагов и т. п. К месту вы­хода грунтовых вод на поверхность уровень их понижается. Такое понижение уровня наблюдается и у межпластовых безнапорных вод.

Глубина залегания грунтовых вод может быть различной: от де­сятков метров до 1-2 м. В последнем случае они обычно в весен­ний период смыкаются с почвенными водами и образуют, как гово­рилось выше, почвенно-грунтовые воды. Разновидностью последних являются болотные грунтовые воды, зеркало которых находится в пределах торфяной залежи.

Безнапорные межпластовые воды (Рис. 4) обычно приурочены к водонос­ным толщам значительной мощности, прорезаемым гидрографиче­ской сетью. Эти воды залегают, как правило, неглубоко. Речные долины иногда прорезают несколько ярусов межпластовых вод. В этом случае в местах дренирования на разных уровнях склона долины (котловины) воды выходят на поверхность и являются устойчивыми источниками питания поверхностных водотоков и во­доемов.

Рис. 4. Схема залегания подземных вод: 1 – верховодка; 2 – межпластовые

            безнапорные воды; 3 – грунтовые воды; 4 – межпластовые напорные

            воды; 5 — поверхностный водоем.

Напорные воды (Рис. 4)

Напорные воды (артезианские под­земные воды) — воды, насыщающие водопроницаемый слой, заключенный между водоупорными породами, и обладающие гидростатическим напором.

Напорные воды обычно приурочены к гео­логическим структурам осадочных пород при соответствующем на­пластовании водопроницаемых и водоупорных слоев или к сложной системе тектонических трещин и сбросов.

Геологическая структура (впадина, мульда, синклиналь, моноклиналь и т. п.), содержащая один или несколько водоносных горизонтов и обеспечивающая на­пор в них, называется артезианским бассейном.

В арте­зианском бассейне обычно выделяют:

— область питания,

— область на­пора,

в некоторых случаях область стока (разгрузки) напорных вод.

Вместе с этой лекцией читают «Часть 9».

Площади, занимаемые артезианскими бассейнами, колеб­лются в очень широких пределах.

При вскрытии кровли напорного водоносного горизонта буровой скважиной вода под гидростатическим давлением поднимается выше кровли водоносного пласта и иногда достигает поверхности земли или даже фонтанирует (Рис. 5).

В напорном водоносном го­ризонте, таким образом, выделяют геометрический уровень, совпа­дающий с нижней поверхностью водоупорной кровли водоносного слоя, и гидростатический, или пьезометрический уровень, совпа­дающий с уровнем подъема воды в скважинах. Напор в каждой точке водоносной породы измеряется высотой, на которую подни­мается вода в скважине над нижней поверхностью водоупорной кровли при вскрытии водоносного пласта. По мере погружения пла­ста напор обыкновенно увеличивается.

Рис. 5. Схема строения артезианского бассейна.

1 — водонепроницаемые породы; 2 — напорный водонос­ный  слой;  3,4 — скважины;   5 — направление   потока;   ВС пьезометрический уровень, BNC нижняя поверхность водо­упорной кровли, Н1, Н2: — высота напора.

Эксперименты по оттоку подземных вод под давлением и численное моделирование каналов оттока на Марсе — Марра — 2014 — Журнал геофизических исследований: планеты

1 Введение

Каналы оттока на Марсе являются одними из самых замечательных геоморфологических особенностей нашей Солнечной системы (рис. 1). Их морфология указывает на то, что наводнения, высекшие их на поверхности Марса, были огромными, даже по сравнению с аналогичными реконструкциями крупномасштабных палеонаводков на Земле [ Baker and Milton , 1974].Хотя речные процессы, ответственные за эту морфологию на Марсе, в настоящее время в целом хорошо изучены, происхождение и необходимые климатические условия, связанные с источниками этих каналов, остаются предметом споров [например, Harrison and Grimm , 2009, Wilson et al. . , 2004a]. Геоморфология, в частности резкий переход от окружающей местности к источникам (рисунки 1b и 1d), предполагает, что эти каналы питались подземными водами [ Baker and Milton , 1974; Шарп и Малин , 1975; Komar , 1979].Более того, большие впадины (рис. 1b) и хаотичная местность (рис. 1c), часто обнаруживаемая у истоков каналов оттока, указывают на довольно сильный выброс грунтовых вод [например, Carr , 1979; Rodríguez et al. , 2005; Coleman , 2005]. Однако предполагаемые в настоящее время процессы оттока грунтовых вод в сочетании с гидрологическими свойствами марсианской коры, как полагают, не могут обеспечить достаточное количество воды для крупнейших оттоковых каналов [ Harrison and Grimm , 2009].

(а) Глобальная карта Марса и (б) местные карты Рави Валлис, (в) Хаос Иани у источника Арес Валлис и (г) Атабаска Валлис. На рис. 1а представлены данные о высоте с координатной сеткой с цветовой кодировкой, полученные с орбитального лазерного высотомера Марса (MOLA) [ Zuber et al. , 1992], с заштрихованным рельефом. Рисунки 1b – 1d содержат данные о высотах MOLA с цветовой кодировкой, наложенные на дневные инфракрасные мозаики системы тепловизионного изображения (THEMIS) [ Christensen et al. , 2004; Fergason et al., 2013], белые стрелки указывают вниз по течению. На каждом рисунке указаны минимальный и максимальный подъем линейной цветовой шкалы.

Катастрофические выбросы огромного количества воды происходили на Земле в прошлом. Часто приводимые примеры возможных аналогов марсианских каналов оттока — выбросы из подледниковых водоемов или Jökulhlaups [ Björnsson , 2003] и Channeled Scabland в восточной части Вашингтона (США), которые образовались в результате выброса воды из прорвавшего ледникового озера [ Бейкер , 2009].Другие экстремальные речные явления возникают в результате выброса воды из водохранилищ после внезапного обрушения естественных или искусственных плотин [ Waythomas et al. , 1996; Major et al. , 2012]. Эти земные аналоги имеют много общих морфологических черт с каналами оттока на Марсе, например, речные катаракты, обтекаемые острова и эрозионные гребни [ Baker , 2009]. Интересное сходство между этими земными катастрофическими наводнениями заключается в том, что они являются выбросами, происходящими из крупных водоемов.Действительно, в нескольких марсианских случаях также есть свидетельства существования таких резервуаров [например, Irwin et al. , 2002; Coleman et al. , 2007а; Харрисон и Гримм , 2008]. Однако сходство речной морфологии этих земных аналогов и каналов оттока на Марсе контрастирует с загадочными областями источников для некоторых каналов оттока. Эти области часто состоят из хаотической местности, состоящей из наклонных блоков, трещин и ям. Существует несколько теорий образования этих хаотических ландшафтов: химические процессы [ Komatsu et al., 2000; Kargel et al. , 2007], таяние или сублимация (подземного) льда [ Roda et al. , 2014; Zegers et al. , 2010 г .; Педерсен и Хед , 2011 г .; Чепмен и Танака , 2002; Максвелл и Пикард , 1974] и / или сброс подземных вод под давлением [ Carr , 1979; Rodríguez et al. , 2005; Wang et al. , 2005, 2006].

Сценарий оттока подземных вод под давлением на Марс основан на модели криосферы Клиффорд [1993] и Клиффорд и Паркер [2001].В этой системе водоносный горизонт ограничен криосферой. Пористый водоносный горизонт, вероятно, представляет собой мегареголит, состоящий из трещиноватого выброса и брекчированной породы [ Hanna and Phillips , 2005], а криосфера — это слой непроницаемых замороженных грунтовых вод, достаточно сильный, чтобы допускать давление, превышающее гидростатический напор грунтовых вод. В этой модели развития подземных вод под давлением предложенная криосфера достигла толщины в несколько километров и, таким образом, могла выдерживать высокое давление.Подземные воды под давлением могли образовываться за счет (1) инфильтрации из более высоких областей, таких как Фарсис или южная полярная ледяная шапка [ Clifford , 1993; Харрисон и Гримм , 2004; Эндрюс-Ханна и Льюис , 2011], (2) тектоническая активность или удары [ Hanna and Phillips , 2006; Wang et al. , 2005], или (3) быстрое замерзание водоносного горизонта [ Wang et al. , 2006]. Механизмы разрушения ограничивающего слоя мерзлого реголита варьируются от гидроразрыва, вызванного самим давлением грунтовых вод [ Andrews-Hanna and Phillips , 2007], до интрузивного вулканизма [ Russell and Head , 2003; Head et al., 2003] или уже существующие тектонические особенности, такие как разломы.

Модель водоносного горизонта, разработанная Hanna and Phillips [2005], обеспечивает гидрологические свойства для количественного моделирования паводков и прорывов подземных вод. Harrison and Grimm [2004] показали, что подпитка грунтовых вод на большой высоте поднятия Фарсис, чему способствовали радиальные разломы, могла бы быть эффективным механизмом для обеспечения грунтовых вод в областях оттока, окружающего Хриз. Однако улучшенная версия этой модели, использующая более реалистичные вариации проницаемости, показывает лишь ограниченное свидетельство того, что подземные воды достигают давления, необходимого для формирования каналов оттока по окружности Криса из системы подземных вод глобального масштаба [ Harrison and Grimm , 2009].

Наиболее важно то, что предлагаемые в настоящее время модели оттока подземных вод не объясняют расчетный расход, основанный на морфологии остаточных речных вод [ Wilson et al. , 2004b] и, таким образом, предполагает плохое понимание этих систем [ Harrison and Grimm , 2009]. В этих моделях оттока подземных вод могут быть получены расходы, которые соответствуют реконструированным оценкам, основанным на морфологии, когда принимаются нереалистично высокие значения проницаемости, предполагая, что более эффективный механизм оттока для оттока грунтовых вод ответственен за формирование этих каналов [ Head et al. ., 2003]. Доказательства усиленных процессов оттока, включающих течение через трещины, можно наблюдать в Cerberus Fossae, но это все еще подразумевает очень высокую проницаемость и повторяющуюся активность [ Manga , 2004]. Более того, как Andrews-Hanna и Phillips [2007], так и Harrison and Grimm [2008] показывают, что прогнозируемый сток через хаотичную местность дает относительно низкие выбросы по сравнению с эродированным объемом, и, таким образом, для этого требуется множество событий оттока. объясните размер каналов оттока.Предполагаемое количество событий варьируется от десятков [ Эндрюс-Ханна и Филлипс , 2007] до нескольких сотен или тысяч [ Харрисон и Гримм , 2008]. С другой стороны, оценки расхода на основе размеров полного канала [например, Burr et al. , 2002] имеют тенденцию к завышению требуемого расхода, поскольку не учитывается процесс врезания (т.е. врезанные речные долины никогда не заполняются до краев). Оценки расхода на основе каналов поздней стадии [например, Leask et al., 2006] или гидравлическое моделирование на основе окончательной морфологии [например, McIntyre et al. , 2012] может недооценивать пик ранних выделений, который отвечает за большую часть разреза. Для быстрых резких событий с ранним пиковым разрядом конечная ширина впадины (а не канала) может обеспечить лучшую оценку пикового расхода [ Marra et al. , 2014].

Террасы являются дополнительным источником свидетельств, которые можно использовать для восстановления истории разряда каналов оттока.Однако интерпретацию террас необходимо проводить осторожно, так как одно событие может привести к появлению нескольких террас, в то время как более мелкие события оттока могут не привести ни к одной, а более поздняя эрозия может уничтожить более ранние террасы. Тем не менее датированные террасы указывают на минимальное количество случаев оттока, например, в Ares Vallis [ Warner et al. , 2009] есть свидетельства по крайней мере нескольких крупных событий, которые могут составлять большую часть разреза.

Имеются ограниченные сведения о процессах оттока грунтовых вод, которые могли произойти на Марсе.Системы подземных вод под давлением существуют на Земле, но не известно, что выбросы с интенсивной силой, предлагаемой для каналов оттока Марса, происходили естественным образом на Земле. В отсутствие наземных аналоговых систем мы представляем масштабные эксперименты по эволюции ландшафта, производимые подземными водами под давлением. Мы экспериментировали с диапазоном давления грунтовых вод, которое приводит к целому ряду процессов оттока и морфологической эволюции разрозненных ландшафтных элементов.

Процессы оттока в экспериментах служат руководством для возможных механизмов формирования марсианских каналов оттока и более мелких геоморфологических особенностей.Есть различия между нашей модельной установкой и марсианскими системами, которые мотивируют эти эксперименты, например, гравитация и уклоны, но, прежде всего, масштаб, особенно для огромных размеров марсианских каналов оттока. Эти различия по определению очень распространены в подобных экспериментах по эволюции ландшафта. Тем не менее, такие подходы оказались ценным аналогом природных ландшафтов при правильном анализе [ Paola et al. , 2009 г .; Kleinhans et al. , 2014].Масштаб наших экспериментов таков, что они не дают геометрически масштабированной версии того, чего можно ожидать в действительности. Тем не менее, эти эксперименты демонстрируют ряд процессов и связанных с ними морфологий, которые могут происходить в естественных ландшафтах. Чтобы преодолеть разрыв между экспериментом и реальностью, мы анализируем масштабирование этих процессов и оцениваем их поведение в естественных масштабах по сравнению с ситуацией на Марсе.

Мы смоделировали наблюдаемые процессы для случая, основанного на Рави Валлисе (рис. 1b).Мы выбрали этот канал оттока, поскольку его морфология относительно проста, а хаотический рельеф в источнике и канале оттока позволяет предположить, что он сформировался в результате одного события [ Leask et al. , 2006], в отличие от более сложных обрушившихся хаотических ландшафтов и множественных врезок, наблюдаемых, например, у Иани Хаос и Ареса Валлиса [ Warner et al. , 2011, 2009]. Мы стремимся обнаружить процессы, возникающие в результате оттока подземных вод под давлением, и исследуем их способность вызывать большие наводнения и оцениваем связанные с ними морфологические особенности.В частности, мы намерены определить, какие процессы оттока способны создавать морфологию марсианских каналов оттока, и мы ищем процессы, которые ранее упускались из виду и, следовательно, не присутствовали в существующих моделях марсианской палеогидрологии. Кроме того, наши модели эволюции ландшафта дают представление о морфологическом развитии смоделированных процессов оттока, и, следовательно, эти результаты будут иметь важное значение для интерпретации морфологии исходных регионов канала оттока.

В предыдущей серии экспериментов Marra et al. [2014] составил обзор ландшафтов, возникших в результате разлива кратерных озер, истощения грунтовых вод, а также прорывов подземных вод под давлением. Эти эксперименты показали, что за формирование очаговых областей отвечает сложное взаимодействие процессов. Однако эти эксперименты были относительно небольшими и не показали морфологических деталей, указывающих на отдельные процессы. В этой статье мы исследуем подземные воды под давлением более подробно с использованием крупномасштабной экспериментальной установки.Кроме того, в дополнение к этой предыдущей работе, мы масштабируем экспериментальные результаты до условий Марса, используя численное моделирование.

2 Экспериментальная установка

Мы провели серию экспериментов на установке Total Environmental Simulator в Университете Халла (подробности см. На сайте www.hull.ac.uk/tes), чтобы изучить процессы оттока и результирующую морфологию, создаваемую разным давлением грунтовых вод, применяемым через разные скорости притока и основание блока осадка.

Все эксперименты начинались с той же первоначальной ландшафтной топографии, построенной из песка, покрывающего основание из блоков. Мы использовали песок со средним размером зерна 0,7 мм, который оптимизирует проницаемость для грунтовых вод и транспортабельность поверхностным стоком [например, Marra et al. , 2014]. Ширина поверхности отложений составляла 4 м с приподнятым плоским участком 1,7 м, за которым следовал откос длиной 3,5 м с уклоном 0,22 м / м (рис. 2). Отток грунтовых вод происходил на равнине над откосом.Наклонный участок был спроектирован так, чтобы обеспечить развитие поверхностных потоков, образующих врезные каналы. Осадок покрыл частично наклонный непроницаемый пол, чтобы уменьшить общее количество отложений, необходимое для построения модели. Этот пол был ровным на высоте 2,6 м, а уклон составлял 0,11 м / м еще на 2,6 м. Для герметизации пола и стен использовалась непроницаемая мембрана. Был установлен грубый геотекстиль, прикрепленный к верхней части гладкого слоя мембраны, чтобы предотвратить возможность сползания всего блока осадка вниз по склону в месте контакта.Общая глубина наносов составила 0,4 м на плоском участке выше по течению, выклинивающемся к нижнему концу.

Экспериментальная установка. (а) Фотография под наклоном с нижнего конца лотка, показывающая начальную поверхность осадка. Пунктирная белая линия указывает положение излома на склоне. Указываются положения камеры (C1 – C6, над фотографируемой областью) и положения лазерного сканера (LS1, LS2). (b) Поперечное сечение установки, показывающее макет пола, подземную трубу (sp = подающая труба, pp = проколотая труба и g = желоб).(c) Вид сверху установки с теми же аббревиатурами, что и на рисунках 2a и 2b.

Мы смоделировали выброс грунтовых вод с помощью трубы диаметром 25 мм, пробитой несколькими сотнями отверстий диаметром 3 мм, на 0,4 м ниже поверхности отложений (Рисунки 2b и 2c). Труба была установлена ​​как кольцевая магистраль без выхода, за исключением проколотых отверстий, и подводилась от центра для обеспечения равномерного распределения давления. Проколотые отверстия были расположены на прямом участке трубы, перпендикулярном уклону поверхности, и этот участок трубы был завернут в 0.Тканевая сетка 5 мм для предотвращения забивания отложениями и, таким образом, обеспечения равномерного потока грунтовых вод из проколотых отверстий в плоском участке трубы.

Мы провели три эксперимента, используя описанную установку, каждый с разной скоростью притока грунтовых вод (Таблица 1). Мы оценили давление жидкости и давление, превышающее литостатическое давление (таблица 2) в основании установки, используя закон Дарси ( Q = K A d h / d z ), с K = 40 м / сут, глубина 0.4 м и площадь фильтрации 4 м × 0,2 м = 0,8 м 2 , которая является наблюдаемой площадью фильтрации в экспериментах. Вероятно, давление изменилось во время эксперимента из-за разной динамики процессов истечения (что также аннулирует уравнение Дарси). Тем не менее, эти оценки дают представление о режимах давления в каждом из трех экспериментов с давлением (1) ниже, (2) немного выше и (3) значительно выше литостатического давления (Таблица 1).

Таблица 1.Эксперимент запускается
Эксперимент Продолжительность Q (л / с) V 3 ) p (кПа) Δ p (кПа) TL Интервал Видео
1: Низкое давление 70 мин. 0.4 105 4,2 30 с Видео S1
2: Среднее давление 12 мин. 0.9 38,4 9,5 3,1 5 с Видео S2
3: Высокое давление 10 мин. 1.8 46 19,1 11,1 5 с Видео S3
  • a Отображение продолжительности экспериментов, расход Q , общий объем воды V , расчетное давление жидкости p , избыточное давление Δ p , интервал покадровой (TL ) изображения и соответствующие видео во вспомогательной информации.
Таблица 2. Свойства субстрата для эксперимента и Марса
Параметр Символ Эксперимент Марс Блок
Проницаемость К 40 варьируется м / д
Пористость η 0.3 0,3
Насыпная плотность ρ с , ρ r 1630 2600 кг / м 3
Глубина д 0.4 варьируется м
Гравитация г 9,81 3,71 м / с 2
Литостатическое давление q 6.4 варьируется кПа
Модуль Юнга E 2,6 73 МПа, ГПа
Коэффициент Пуассона ν 0.3 0,3
Прочность на сдвиг σ с 5,7 20 кПа, МПа
  • a Значения для E , ν и σ s основаны на Pakpour et al. [2012] (эксперимент) и Schultz [1993] (Марс).

В отличие от марсианской обстановки, наша установка не имеет закрывающей криосферы поверх водоносного горизонта, которая могла бы вызвать повышение давления грунтовых вод. Вместо этого давление в экспериментах прикладывалось непосредственно от насоса, и мы не изучали процессы, ответственные за разрушение ограничивающего слоя. Целью экспериментов не было изучение всей системы водоносного горизонта, поскольку нашей целью было изучение процессов оттока, возникающих в результате повышения давления, а не процессов, ведущих к повышению давления.Хотя эксперименты были мотивированы марсианской обстановкой, мы стремились получить общие результаты, которые также можно было бы применить к другим системам.

Мы запечатлели эволюцию экспериментов с помощью покадровой фотографии с разных углов обзора. Установка для покадровой съемки состояла из шести камер Canon PowerShot A640, установленных вокруг экспериментальной установки (см. C1 – C6 на рис. 2), которые запускались синхронно с заданными интервалами. Эти интервалы различались от 30 с до 5 мин в зависимости от морфодинамической скорости проводимого эксперимента (значения в таблице 1).

Для подробного морфологического анализа и морфометрического анализа мы создали цифровые модели рельефа окончательной морфологии поверхности в конце каждого запуска эксперимента с помощью данных высоты облака точек, полученных с помощью наземного лазерного сканера Leica ScanStation 2. Сканирование проводилось в двух противоположных направлениях, чтобы устранить тени данных в области сканирования (см. Рисунок 2). Эти облака точек были ориентированы и помещены в одну и ту же систему координат на основе фиксированных целей в экспериментальной установке с использованием CloudCompare (версия 2.4). Объединенные сканы были привязаны к моделям высот 2 мм с использованием алгоритма линейной триангуляционной интерполяции в ArcGIS (версия 10.1 SP1).

3 Результаты экспериментов

В этом разделе мы описываем морфологическое развитие экспериментов с утечкой под давлением и связываем наблюдаемую морфологию с ответственными процессами. Пожалуйста, обратитесь к вспомогательной информации для видео экспериментов.

3.1 Эксперимент 1: Низкое давление

Эксперимент с наименьшим давлением питался подземными водами в течение 70 мин при расходе 0.4 л / с, что соответствует давлению значительно ниже литостатического давления наносов (таблица 1). Поверхность осадка оставалась сухой в первые 20 мин эксперимента. Через 20 минут поверхность над источником грунтовых вод стала заметно насыщенной (рис. 3a-i), и пространственная протяженность этой насыщенной области увеличилась в радиальном направлении. Примерно через 30 минут после начала эксперимента просачивающиеся грунтовые воды начали собираться, образуя расширяющееся в радиальном направлении мелкое озеро на плоской части исходной поверхности (рис. 3a-ii).Через 43 минуты это озеро достигло верхней кромки склона, и вода начала стекать вниз по наклонной поверхности (рис. 3a-iii).

(a – c) Кадры из покадровой видеозаписи для всех трех экспериментов с камеры C1 (рис. 2). Штрих-пунктирная линия указывает излом на уклоне (см. Рисунок 3a-i), пунктирная линия показывает местоположение подземного источника (см. Рисунок 3a-i, не повторяется на других панелях). Светлый плавучий материал на рисунках 3b-ii, 3c-iii и 3c-iv представляет собой пену, плавающую на воде.Примерные масштабные линейки приведены на первых кадрах (рисунки 3a-i, 3b-i и 3c-i). Обратите внимание на искажение перспективы и на то, что на более поздних изображениях показана большая часть эксперимента. Для полных видеороликов читатель направляется к вспомогательной информации.

Утечка продолжалась во время эксперимента, и поверхностный резервуар оставался в наличии до тех пор, пока не прекратилась подача воды в конце эксперимента. Отток грунтовых вод к поверхности через артезианское просачивание в этом эксперименте не привел к видимым морфологическим особенностям на плоской поверхности, хотя более темный мелкий осадок откладывался на внешних краях поверхностного резервуара.

Перелив из озера привел к образованию русла (рис. 3a-iv). Головка канала состояла из притока в форме пера с множеством проходящих в радиальном направлении каналов из-за схождения потока из широкого водохранилища в относительно узкий канал (Рисунки 3a-iv / 3a-v, 4a и 4d). Разрез этих каналов привел к образованию островков эрозии (рис. 5а). Отдельные каналы росли в направлении головы и уходили дальше в водохранилище.В результате были заброшены некоторые из первоначальных входных каналов. Кроме того, остатки бороздок на флангах канала показывают местоположение первоначального выхода из озера (рис. 5а).

(a – c) Затененный рельеф с цветными картами эрозии и (e – f) сшитые ортотрансформированные фотографии окончательной морфологии всех трех экспериментов. Рисунки 4a и 4d — эксперимент 1, рисунки 4b и 4e — эксперимент 2, а рисунки 4c и 4f — эксперимент 3. Масштаб, показанный на рисунке 4a, и цветная полоса на рисунке 4c применимы ко всем панелям.Фото источников крупным планом, фото сделаны близко к поверхности наносов. (а) Сходящийся поток из неглубокого коллектора в эксперименте 1, стрелки указывают направление потока, причем наконечники стрелок расположены в развивающейся точке перегиба. (b) Отток от просачивания через трещину в эксперименте 2, показывающий очертания активной трещины, депрессию, образованную оттоком грунтовых вод, и отложения, окружающие эту область источника, стрелки указывают направление потока. (c) Исходная зона эксперимента 3 сразу после первоначального выброса, показывающая приподнятую деформацию с трещинами и струей грунтовых вод, выходящей со стороны деформации.Это изображение было получено между покадровыми кадрами, показанными на рисунках 3c-ii и 3c-iii.

По мере развития системы все озеро дренировалось через единственный выпускной канал, который был намного меньше, чем сама площадь фильтрации. Это обычное явление при осушении озер и часто приводит к катастрофическим событиям из-за положительной обратной связи между стоком и эрозией [например, Cantelli et al. , 2004]. Результатом этого эксперимента было то, что эта воронка преобразовала неэрозионный фильтрационный поток в поверхностный поток с эрозионной силой на склоне.Вместе с формированием канала на нижнем конце исходного канала развивались лопасти сита (Рисунки 3a-iii и 3a-iv). Эти лопасти образовались в областях, где осадок все еще был ненасыщенным, из-за инфильтрации воды из потока, богатого наносами, в ненасыщенный субстрат. Когда осадок вокруг канала стал насыщенным, отложение этих долей прекратилось, и поток рассекся. В результате отложение этих долей постепенно сдвигалось вниз по склону. Канал оторвался, так как доли стали слишком большими.

Вскрытие канала привело к образованию впадины. Разрез начинался в месте перелива на изломе склона и расширялся вниз по склону синхронно с формированием лепестка, что приводило к увеличению частоты разрезов во время эксперимента. Разрез был наиболее сильным в верхней части склона и ниже по течению отложения эродированного материала, образующего аллювиальный веер (Рисунки 4a и 4d). Из-за сочетания врезки русла и боковой эрозии образовалось множество террас, которые были узкими, но глубокими вверх по течению и широкими, но неглубокими вниз по течению (рис. 4а).Террасы ниже по течению становились глубже и уже по мере увеличения разреза во второй части эксперимента.

В целом, долина в этом эксперименте образовалась в результате одного события, но результирующий ландшафт содержит широкий спектр морфологических элементов, которые сформировались на разных этапах проведения эксперимента. Последний пейзаж содержит лопастные отложения, сформированные на ранней стадии эксперимента, и несколько заброшенных каналов и соответствующих террас из-за врезки канала (рис. 5а).

3.2 Эксперимент 2: Среднее давление

Эксперимент 2 имел промежуточное давление чуть выше литостатического давления при скорости притока воды 0,9 л / с в течение 12 минут (таблица 1). Первые 4 минуты эксперимента 2 развивались в той же последовательности, что и первые 30 минут эксперимента 1, но с гораздо большей скоростью. Через 2 мин область над впускной трубой стала насыщенной, и через 3 мин просачивание привело к скоплению воды на поверхности (рис. 3b-i). Начиная с 3.5-минутные закипания воды возникли в области источника (рис. 3b-ii). Фурункулы мигрировали через очаговую область и сохранялись до конца эксперимента. Мы интерпретируем эти особенности как подземные каналы, вызванные избыточным давлением, поскольку давление грунтовых вод было выше литостатического давления. Мы наблюдали выход песка из трещин, что привело к углублению источника и отложению вокруг этих ям (Рисунки 4b, 4e и 5b).

Как и в эксперименте 1, в районе истока образовалось мелкое водохранилище (рис. 3b-iii).Однако из-за эрозионного характера просачивания через каналы протяженность резервуара была более четко обозначена в окончательной морфологии, чем в эксперименте 1, поскольку из каналов происходило отложение осадка (рисунки 4b и 4e). Когда слив с поверхности озера дренировался вниз по склону, лопасти сита, подобные тем, которые наблюдались в эксперименте 1, образовывались из-за инфильтрации воды (рис. 3b-iii). Однако в эксперименте 2 эти лепестки откладывались ближе к области оттока, потому что осадок около зоны оттока был все еще сухим, когда начался отток.

Последующий разрез проходил аналогично эксперименту 1, но из-за неоднородного и мигрирующего характера схемы оттока резервуар переполнился в нескольких местах, что привело к появлению нескольких каналов разного размера (рисунки 3b-ii, 3b-v и 4b ). В этом эксперименте террасы были менее четко видны, что было связано с меньшими размерами отдельных каналов и более короткой продолжительностью этого эксперимента. В конце эксперимента, когда водохранилище истощилось, уровень воды быстро упал, так что после последовательного закрытия только самые большие каналы получали какой-либо поток.

3.3 Эксперимент 3: Высокое давление

В последнем эксперименте из серии давление грунтовых вод значительно превышало литостатическое давление с расходом 1,8 л / с в течение 10 минут (Таблица 1). Через 90 секунд после начала эксперимента поверхность отложений над трубой источника грунтовых вод начала немного вздуться, и в результате напряжения растяжения, связанного с этим выпуклостью, образовались трещины (рис. 3c-i). Первоначальные трещины были в той же ориентации, что и трубы источника грунтовых вод, и на вершине выступа.По мере роста выпуклости трещины распространялись дальше, в результате чего в области выпуклости образовывалась многоугольная структура (рисунки 3c-ii и 5c). Мы интерпретируем выпучивание осадка как результат образования подземного резервуара, то есть линзы воды под поверхностью осадка. Поскольку давление грунтовых вод было намного выше литостатического давления (Таблица 1), это избыточное давление могло поднять вышележащие отложения.

Примерно через 3 минуты произошло извержение подземного водоема (Рис. 3c-iii), и струя воды высотой около 10 см вышла на сторону выпуклой области (Рис. 5c).Затем выпуклость исчезла в течение 5 с. В это время поверхность осадка все еще была сухой и ненасыщенной, поэтому сразу же вокруг области источника образовывались лопасти сита (рис. 3c-iii). После первоначального извержения отток воды продолжился через небольшие мигрирующие кипения воды, подобные тем, что наблюдались в эксперименте 2, но более эрозионный (рис. 3c-iv). Ямы и окружающие отложения образовались в местах оттока (Рисунки 3c-v, 4c и 4f). Во время этого эксперимента пена выходила из области слива, что указывает на высокую концентрацию мелкодисперсного осадка в потоке по сравнению с экспериментами с меньшим расходом (рис. 3c-iv).

Перелив с ровной площадки начался примерно через 5 мин. Как и в эксперименте 2, каналы образовались в нескольких местах из-за нерегулярной картины оттока (рис. 4c). Некоторые из первоначальных каналов, которые выходили из плоской области на вершине склона, перестали выходить на середину склона из-за инфильтрации. Этот эффект был более обычным, чем в этих экспериментах, потому что нижние отложения еще не были насыщены к тому времени, когда наземный поток достиг его. Примерно до 7 минут некоторые каналы продолжали надрезать, но с гораздо большей скоростью, чем в предыдущем эксперименте, из-за более высоких расходов воды.Хотя скорость разрезов была высокой, общая эрозия была меньше, чем в других экспериментах из-за ограниченной продолжительности этого эксперимента. По этой же причине ограничивалось и формирование террас.

4 Масштабирование процессов оттока подземных вод под давлением

Эксперименты по эволюции ландшафта, представленные в предыдущем разделе, показывают ряд процессов оттока, которые возникают в результате различного давления грунтовых вод. В этом разделе мы обобщаем экспериментальные результаты для применения к системам в больших масштабах и в различных материалах.На основе процессов, выявленных в экспериментах, мы показываем результаты численной модели для тематического исследования в масштабе Рави Валлиса.

Ключевой концепцией в нашем анализе является то, что ландшафт в этих экспериментах, хотя и вызван одним движущим фактором (приложенным давлением грунтовых вод), является результатом нескольких, но одновременных активных процессов, которые могут по-разному масштабироваться от лабораторных экспериментов до естественных ландшафтов. Окончательный пейзаж состоит из нескольких морфологических элементов, являющихся результатом этих различных процессов.Не все процессы в разных масштабах ведут себя одинаково, и поэтому ландшафт, полученный в реальных системах, вероятно, будет отличаться от версии экспериментов в геометрическом масштабе. Чтобы обобщить наши экспериментальные результаты, мы поэтому изучаем отдельные процессы из эксперимента, предоставляем уравнения для этих процессов и оцениваем результирующее морфологическое поведение в различных условиях.

Мы различаем гидрологию и гидравлику оттока и возникающие в результате поверхностные процессы.В экспериментах мы наблюдали три типа процессов оттока (Рисунок 6): (1) артезианская фильтрация, (2) трещинная фильтрация и (3) подземное извержение коллектора. Артезианское просачивание является результатом вертикального движения грунтовых вод. Просачивание через трещины происходит, когда в недрах образуются трещины или каналы; это могут быть физические пустоты или более слабые области с гораздо более высокой проницаемостью по сравнению с окружающей их средой, так что они действуют как каналы или разрушаются и становятся трещинами под высоким давлением. Извержения подземных вод являются результатом обрушения поверхности и вытеснения подземного резервуара.В экспериментах давление грунтовых вод создавало пространство для такого резервуара, но уже существующие пустоты также могут быть частью этого процесса. Во всех трех экспериментах, после начала оттока грунтовых вод, мы идентифицировали два основных процесса в эксперименте: флювиальный разрез и отложение долей осадочного сита. Ниже мы сначала проанализируем наблюдения из экспериментов относительно разработки подземного коллектора в результате высокого давления грунтовых вод. Затем мы представляем модель оттока подземных вод и ее результаты, основанные на наблюдаемых процессах оттока в каждом из экспериментов.

Три режима оттока подземных вод под давлением из ограниченного водоносного горизонта: (а) артезианское просачивание через пористую среду, (b) турбулентный поток через трещины и (c) отток через трещины после буферизации в подземном резервуаре.

4.1 Разработка подземных пластов

В экспериментах с самым высоким давлением грунтовых вод поверхность над источником грунтовых вод вздулась и потрескалась до того, как грунтовые воды вылились (рис. 3c-ii), вероятно, из-за расширения подповерхностного водоема в результате давления грунтовых вод, которое превышало литостатическое давление.Этот подземный резервуар смог сформироваться, потому что приток воды в основании отложений был выше, чем максимальный расход через отложения, и этот механизм возможен только в том случае, если давление грунтовых вод достаточно велико, чтобы деформировать материал выше. Этот процесс деформации из-за давления известен как изгиб и похож на образование лакколита в вулканических условиях [ Turcotte and Schubert , 2002]. В этом разделе мы обсуждаем способность подземных вод под давлением деформировать поверхность и создавать пространство для подземного резервуара как для эксперимента, так и в марсианских условиях.

4.1.1 Процессы изгиба
Для заполнения подземного резервуара жидкостью из более глубоких источников требуется давление жидкости, превышающее литостатическое давление. На Марсе вышележащая криосфера изогнется из-за своей способности выдерживать упругие напряжения. Песок в наших экспериментах влажный, и капиллярные силы также могут вызывать макроскопические упругие свойства [ Pakpour et al. , 2012], что приводит к изгибу.Приближенное значение деформации w как функции расстояния от центра деформации, x , составляет (после Turcotte and Schubert [2002], определения на рисунке A1) (1) где Δ p — избыточное давление в основании деформированного слоя (например, слоя осадка или криосферы), a — радиус деформации, а D — жесткость при изгибе, которая равна (2) где E — модуль Юнга, ν — коэффициент Пуассона (значения в таблице 2), а T — толщина деформированного слоя.Изгиб обусловлен работой жидкости. Радиус a области поднятия определяется выражением (см. Приложение A4 для получения) (3)

Минимальный радиус достигается только тогда, когда вся работа жидкости преобразуется в упругую деформацию (изгиб). В практических ситуациях и будут больше, потому что часть работы используется для обеспечения постоянной деформации деформированного слоя.

Нас интересует потенциальный объем резервуара, создаваемый этим процессом.Максимальный подъем и объем коллектора ограничены пределом прочности на сдвиг σ s деформированного слоя. При разрушении всего деформированного слоя накопленная энергия упругой деформации рассеивается. Если мы предположим, что развивается трещина вертикального сдвига, мы можем рассчитать максимальное избыточное давление, приравняв энергию упругой деформации к энергии из-за разлома (см. Приложение A5 для получения и обоснования): (4) Таким образом, максимальная громкость В макс определяется как (5)
4.1.2 Изгиб в экспериментах и ​​на Марсе
Используя вывод из предыдущего раздела, мы рассчитаем прогиб для наших экспериментальных условий и для марсианских случаев. Для нашей экспериментальной установки, состоящей из гранулированного материала, прочность на сдвиг σ s связана с нормальным напряжением σ в соответствии с критерием Мора-Кулона: (6)

Для нашего осадка мы принимаем значение tan ( φ ) = 0.8 и дополнительной прочности сцепления c 0,6 кПа из-за начального небольшого содержания воды [ Mitchell and Soga , 2005; Richefeu et al. , 2006]. Начальным нормальным напряжением является литостатическое давление, которое составляло 6,4 кПа у основания слоя отложений толщиной 0,4 м (таблица 2), что дает прочность на сдвиг 5,7 кПа. В экспериментах мы наблюдали деформированную область с радиусом a = 0,7 м (рис. 5c). Мы принимаем модуль Юнга ( E ) равным 2,6 МПа, исходя из модуля сдвига 1 МПа для аналогичных влажных пляжных отложений [ Pakpour et al., 2012]. Деформация w (0) из-за изгиба избыточным давлением Δ p = 11,1 кПа (таблица 1) составляет 7,2 мм. В экспериментах мы наблюдали более высокую деформацию около 3 см. Это различие можно объяснить уменьшением эффективной толщины слоя из-за образования трещин и насыщения нижней части осадка. Деформация 3 см достигается при меньшей толщине T = 0,25 м при прочих равных параметрах.

Для случая на Марсе мы можем оценить свойства материала (таблица 2), но значения толщины криосферы и радиуса деформации плохо ограничены. Минимальный радиус подземного резервуара, необходимый для изгиба, зависит от толщины криосферы T и для увеличения T и соответствующего a min или более высокого отношения a / T , величины изгиба и соответствующий объем резервуара увеличивается (Рисунок 7).Для фиксированных значений a деформация и объем уменьшаются с более высокими значениями T , поскольку это обеспечивает большее сопротивление деформации.

Деформация и объем при изгибе. (a) Максимальный объем резервуара до обрушения V и (b) деформация в центре выпуклости w (0) как функция толщины криосферы T для минимального радиуса деформации, необходимого для изгиба ( a = a мин ), для a / T = 10 и постоянное значение a = 10 км.Вертикальные пунктирные линии представляют T = 3, которое используется в анализе.

В качестве примера мы возьмем в качестве примера район источника Рави Валлис. Мы рассматриваем толщину криосферы 3 км и радиус деформации и 50 км, что по размеру схоже с областью трещин выше по течению от Рави Валлис. Это приводит к необходимому избыточному давлению для разрушения криосферы Δ p = 2,2 МПа и подземному объему коллектора 8500 км 3 .После отказа этот объем выбрасывается на поверхность, создавая высокий пик разряда. Этот начальный выброс близок к расчетному объему, необходимому для образования долины Рави в одном наводнении, который составляет от 11 000 до 65 000 км. 3 [ Leask et al. , 2006]. В следующем разделе мы моделируем влияние этого подземного коллектора на гидрограф оттока вместе с другими возможными процессами оттока.

4.2 Процессы оттока

В экспериментах мы наблюдали три механизма оттока грунтовых вод, каждый из которых имел различную эффективность с точки зрения скорости, с которой вода выводилась из недр.Чтобы количественно оценить относительную эффективность этих процессов в реальном масштабе, мы моделируем их численно в условиях ограниченного водоносного горизонта. Здесь мы представляем уравнения для моделирования трех различных процессов оттока подземных вод, и на основе этих уравнений мы показываем набор результатов моделирования для Рави Валлис при различных условиях оттока. Эти результаты приведены в качестве примера, чтобы проиллюстрировать возможное поведение наблюдаемых экспериментальных процессов в планетарном масштабе.

4.2.1 Поток подземных вод и артезианские оттоки
Развитие гидравлического напора в водоносном горизонте под давлением определяется уравнением потока грунтовых вод, которое представляет собой дивергенцию потоков грунтовых вод: (7) где K — гидравлическая проводимость материала (м / с), ч — гидравлический напор, а Ss — удельный накопитель (1 / м), который количественно определяет способность водоносного горизонта разгрузить грунтовые воды. : (8) где ρ — плотность воды, n — пористость, β вода — сжимаемость воды (4.4 × 10 −10 Па −1 ) и β водоносный горизонт — это сжимаемость водоносного горизонта, которая является функцией глубины и эффективного напряженного состояния [ Hanna and Phillips , 2005]. Утечка из нормального Дарсианского потока грунтовых вод (рис. 6а) рассчитывается как (9) где Q просачивание — общий фильтрационный расход (м 3 / с), i — гидравлический градиент (м / м, i = ч / d , ч — это разница напора, которая равна гидравлическому напору в верхней части замкнутого водоносного горизонта, и d — это расстояние до поверхности, которое здесь составляет толщину криосферы T ), а A — площадь фильтрации (м 2 ).
4.2.2 Отток из трещины
В экспериментах среднего и высокого давления вода попадала на поверхность через трещины (рис. 6b). Кипение воды в области оттока показывает относительно высокий расход оттока при этом процессе по сравнению с просачиванием. Предполагая турбулентный поток через трещины, расход приведен в [по Andrews-Hanna and Phillips , 2007; Head et al. , 2003] (обратите внимание, что его уравнение представляет собой поток в м 3 / с, где уравнение (5) в Andrews-Hanna et al. [2007] в м / с) (10) где Q fiss — общий отток через трещины, w fiss — ширина трещин (м), f w — коэффициент трения Дарси-Вейсбаха ( безразмерный), а N fiss — пространственная плотность трещин (количество / м).
4.2.3 Извержение подземного коллектора

В эксперименте с высоким давлением грунтовые воды собирались в подземном резервуаре перед тем, как вытечь на поверхность.Эта система резервуаров действует как буфер перед внезапным выбросом на поверхность (рис. 6c). Хотя отток регулируется тем же уравнением, что и выше (уравнение 10), развитие гидравлического напора в основании трещин и, следовательно, отток из трещин отличается. Когда водоносный горизонт является источником воды для трещины, проницаемость ограничивает просачивание воды из этого водоносного горизонта. В подземном резервуаре, созданном изгибом, давление в резервуаре всегда, по крайней мере, равно литостатическому давлению.Здесь мы предполагаем линейное снижение давления с уменьшением объема коллектора. Когда начинается отток, давление равно давлению исходного водоносного горизонта и снижается до литостатического давления в пустом состоянии.

4.2.4 Модели оттока подземных вод

Мы исследовали эффективность и поведение системы оттока, описанной выше, на численной модели. Эта численная модель устроена аналогично модели Andrews-Hanna и Phillips [2007]. Мы смоделировали водоносный горизонт под давлением под ограничивающей криосферой толщиной d , с толщиной водоносного горизонта 20 км (рис. 8a).Водоносный горизонт имел цилиндрическую форму с областью оттока в центре радиусом R отток , общая протяженность водоносного горизонта в 2 раза превышала R отток , который был достаточно большим, чтобы не происходило просадки грунтовых вод на внешней границе модель в пределах одного события оттока (рис. 8b). Этот водоносный горизонт имел начальное избыточное давление Δ p и не подпитывался ни в одном пограничном узле. Мы использовали гидрологические значения, предоставленные Hanna and Phillips [2005].Для простоты и поскольку нас интересуют оценки по порядку величины, чтобы показать основные различия в процессах, мы игнорируем пороупругость и использовали статические значения для мегареголита для β водоносного горизонта , который является функцией глубины.

(a) Схема гидрологической модели и (b) визуальное представление потока подземных вод, где R — радиальное расстояние от центра стока, а z — глубина.

Мы смоделировали отток грунтовых вод в MATLAB, используя описанные выше уравнения (параметры приведены в таблице 3) и неявную численную схему конечных разностей. Мы схематизировали описанную установку в осесимметричной сетке с ячейками сетки длиной 1 км по горизонтали и 100 м по вертикали. Потоки между ячейками рассчитывались по краям ячеек, а гидравлическое давление рассчитывалось в центрах ячеек. Модель была численно стабильной и работала с шагом по времени 500 с.

Таблица 3. Параметры модели оттока
Параметр Символ Значения Блок
Радиус оттока R o u t f l o w 20 км
Глубина д 3 км
Проницаемость водоносного горизонта к (при z = — d ) 10 −14 , 10 −12 м 2
Проницаемость верхнего слоя k фильтрация 10 −13 , 10 −12 м 2
Избыточное давление Δ п 0.5, 5 МПа
Объем резервуара V резервуар 30 000 км 3
Потери на трение по Дарси-Вайсбаху f w 0.025
Ширина трещины w fiss 0,025, 0,5 м
Плотность трещин N fiss 1/1000, 1/500 м −1

Мы смоделировали отток подземных вод в регионе размером с Рави Валлис, с радиусом оттока 20 км и глубиной ограничивающей криосферы 3 км, что попадает в диапазон оценок, обсуждаемых в Lasue et al. [2013]. Первоначальное избыточное давление всего водоносного горизонта было установлено равным 0,5 МПа, если не указано иное. В области оттока использовались три различных режима оттока, описанных выше. В случае фильтрации, отток фактически был продолжением модели водоносного горизонта. Для случая оттока из трещин модель сбалансировала поток оттока на поверхность с водоносным горизонтом, способным обеспечить этот поток. В случае подземного резервуара модель началась с начального объема резервуара 8500 км 3 , который основан на оценке объема прогиба Рави Валлис, описанной в предыдущем разделе.Этот резервуар начинается с того же давления, что и водоносный горизонт, и линейно уменьшается до литостатического давления по мере истощения резервуара. Поток грунтовых вод из водоносного горизонта подпитывает резервуар, а поток трещин на поверхность исходит из этого резервуара. Когда резервуар пуст, модель продолжается как модель оттока из трещин с оттоком на поверхность непосредственно из грунтовых вод.

Существует ряд ключевых отличий, которые можно различить в гидрографах, полученных с помощью различных механизмов оттока и параметров модели (Рисунок 9).Для моделей артезианского фильтрационного оттока более высокое начальное избыточное давление в 5 МПа (рис. 9, пунктирная красная линия) дает лишь немного более высокие выбросы, чем исходная модель 0,5 МПа (рис. 9, сплошная красная линия). Основным параметром, который приводит к значительному увеличению расхода, является проницаемость, десятикратное увеличение приводит к аналогичному увеличению величины расхода (Рисунок 9, пунктирная красная линия). Модели оттока из трещин производят более высокие расходы, чем модель фильтрации для тех же свойств водоносного горизонта (рис. 9, сплошные и пунктирные синие линии).Увеличение размера и количества трещин не приводит к увеличению оттока, поскольку отток ограничен способностью водоносного горизонта поставлять грунтовые воды в трещины (пунктирная синяя линия перекрывает исходную линию на Рисунке 9).

Гидрографы для разных моделей оттока. Красные линии — это модели оттока с артезианским оттоком в области источника, синие линии — результат моделей оттока через трещины, а зеленые линии — результаты модели оттока из подземного коллектора.Сплошные линии — базовые модели (низкий Δ p , низкий k , низкий W fiss и низкий N fiss ; значения см. В таблице 3). Пунктирная красная линия показывает пробег с повышенным давлением водоносного горизонта. Пунктирными линиями показаны прогоны модели с высокими значениями проницаемости для случаев артезианской фильтрации и оттока трещин. Прогоны модели с увеличенным размером трещины (пунктирная синяя линия) не видны, так как они отображаются поверх базового прогона. Для модели оттока из подземного коллектора пунктирная линия представляет собой прогон с более крупными трещинами (более высокие w трещины ), а пунктирная линия — как более крупные, так и более крупные (более высокие N трещины ) трещины.Заштрихованная красная область — это диапазон оценок максимального расхода для Ravi Vallis по Leask et al. [2006] (10–30 × 10 6 м 3 / с) на основе речной морфологии.

Гидрографы подземных извержений коллектора существенно отличаются от гидрографов фильтрации и истечения трещин. Базовая модель с теми же свойствами трещин, что и модели оттока трещин, имеет тот же начальный расход, потому что нижележащее давление равно давлению в моделях трещин.Однако сброс из резервуара практически не уменьшается, поскольку давление в резервуаре по крайней мере равно литостатическому давлению во время осушения резервуара (Рисунок 9, сплошная зеленая линия). Для таких небольших трещин резервуар не истощается в течение 60 дней, показанных на Рисунке 9. Однако для обрушения подземного резервуара мы ожидаем гораздо более крупных трещин. Увеличение размера трещины ( w трещина = 0,5 м) и количества трещин ( N трещина = 1/500 м -1 ) приводит к высокому пику разряда, за которым следует отток. это похоже на отток из грунтовых вод при истощении водохранилища (рис. 9, пунктирные и пунктирные зеленые линии).Оценки пиков расхода в Рави Валлис (10 7 м 3 / с) имеют тот же порядок величины, что и пиковые расходы, возникающие в результате этих подземных прорывов коллектора (Рисунок 9).

5 Обсуждение

В этой статье мы представляем серию экспериментов по эволюции ландшафта, в которых мы моделируем отток грунтовых вод. Эти эксперименты были мотивированы предполагаемым источником подземных вод под давлением в каналах оттока на Марсе.Мы предполагаем, что мегареголитовый водоносный горизонт [ Hanna and Phillips , 2005] с присутствием ограничивающей криосферы [ Clifford and Parker , 2001] поверх этого водоносного горизонта, вероятно, способствовал повышению давления в водоносном горизонте. Эксперименты показали, что различные процессы оттока вызваны давлением подземных вод. Мы наблюдали три различных типа оттока грунтовых вод с возрастающим порядком движущего давления: (1) артезианское просачивание, (2) отток через трещины и (3) извержение из подземного резервуара.Мы представили анализ потенциального прогиба криосферы из-за суперлитостатического давления грунтовых вод и показали, что этот механизм способен создавать подземный резервуар.

Здесь мы сначала обсуждаем общую морфологию каналов оттока и эффективность этих процессов оттока, прежде чем обратиться к взаимосвязям между хаотическими ландшафтами Марса и их каналами оттока.

5.1 Морфология русла оттока Флювиальная морфология

Процессы оттока из источника подземных вод в наших экспериментах различались при разном давлении подземных вод, но речные процессы ниже по течению были схожими и приводили к сходной морфологии во всех трех экспериментах.Морфологию каналов можно разделить на четыре зоны. (1) Близко к источнику, конвергенция потока сформировала широкий источник в узкий канал, дающий начало врезанию притоков перьевидной формы. Местами в этой зоне есть острова, являющиеся остатками эрозии. (2) Сразу после этой области, где поток сходился в один канал, разрез был самым сильным, что привело к узкому и глубокому каналу с террасами. Рядом с долиной мы наблюдали следы бороздок, которые указывают на то, что канал изначально был шире.(3) Далее по потоку начальный отток привел к отложению долей осадка из-за инфильтрации воды в еще ненасыщенный субстрат ниже по потоку. Эти доли были частично разрушены последующим разрезом. Последний канал и прилегающие террасы здесь шире и мельче, чем выше по течению. (4) В дистальной части канал откладывал материал, эродированный выше по потоку, что привело к появлению аллювиального веера.

Последние три зоны экспериментальной морфологии, описанной выше, согласуются с фациями Сандура ледниковых прорывов, которые часто рассматриваются как аналог марсианских каналов оттока [ Rice and Edgett , 1997].Поскольку присутствует весь спектр особенностей от верхнего до нижнего и от разреза до отложения, мы уверены, что все основные морфологические особенности присутствуют и согласованы в наших экспериментах. В действительности формирование каналов оттока могло быть охарактеризовано другими процессами, например, плотными токами [ Иванов, Хед , 2001], но общий переход в морфологии, наблюдаемый здесь, аналогичен.

Сходящаяся форма области источника также типична для каналов оттока [e.g., Komatsu and Baker , 1997], но подчеркивается в нашем эксперименте из-за перехода от полностью плоской области источника к области с крутым уклоном. Эта настройка больше похожа на катастрофический отток из кратерных озер, которые также имеют такие типичные выпускные вентиляторы [ Marra et al. , 2014].

В нашем эксперименте каплевидные островки в каналах не образовывались. Такие острова часто расположены ниже препятствий в каналах оттока и, вероятно, являются результатом разного сопротивления эрозии материала, который является более неоднородным, чем экспериментальные отложения.Острова, наблюдаемые в районе нашего источника, являются результатом быстрого врезания и сохранились из-за ограниченного бокового движения притоков.

5.2 Прорыв и отток из трещин

В экспериментах при низком и среднем давлении грунтовые воды достигли поверхности посредством фильтрации и потока через трещины, соответственно. В случае просачивания грунтовые воды медленно смачивают поверхность, после чего начинается просачивание. Этот процесс не привел непосредственно к развитию какой-либо эрозионной морфологии; озерные отложения и изрезанные русла ниже по течению — единственное свидетельство оттока грунтовых вод.Артезианское просачивание происходит во впадинах на поверхности и возможно только тогда, когда водоносный горизонт не ограничен в месте оттока. Такая система требует либо отсутствия ограничивающего слоя в сочетании с локальным источником давления, например тектоники или удара, либо прерывистого ограничивающего слоя.

В эксперименте с трещиноватым потоком давление грунтовых вод само по себе привело к образованию трещин, которые, вероятно, образовались после того, как осадок стал насыщенным и, таким образом, потерял свою когезионную прочность.В планетарном масштабе в системах с горной породой или криосферной поверхностью такие трещины могут возникать в результате тектонической активности, магматизма (например, вторжение дайки), ударов метеоров или гидроразрывов (аналогично экспериментам с высоким давлением грунтовых вод). Из-за наличия трещин в эксперименте вода достигла поверхности лишь в нескольких местах. В результате морфология этих мест истока была видна как песчаные вулканы, состоящие из ям, окруженных лопастями отложений. Такой отток через трещины на Марсе требует замкнутого водоносного горизонта под давлением; Места оттока являются результатом расположения трещин и не связаны с местной топографией.

Результаты нашего численного моделирования показывают, что процессы фильтрации и оттока трещин схожи по эффективности, поскольку поток грунтовых вод ограничивает поступление грунтовых вод в зону оттока. Максимальный расход в первую очередь зависит от гидрологических свойств водоносного горизонта, питающего грунтовые воды. Результаты нашей модели для Рави Валлис показывают, что эти процессы способны производить пик разгрузки, который находится в диапазоне от 10 3 до 10 5 м 3 / с, в зависимости от свойств водоносного горизонта.Однако морфологические данные предполагают гораздо более высокий пик сброса 10 7 м 3 / с [ Leask et al. , 2006].

Предыдущие модельные исследования дают те же величины, что и результаты нашей модели. Например, расход 8 × 10 6 м 3 / с был оценен для Iani Chaos [ Andrews-Hanna and Phillips , 2007], площадь оттока которого в 100 раз больше, чем у нашей модели. Наши оптимистичные свойства водоносного горизонта аналогичны свойствам, используемым Andrews-Hanna and Phillips [2007], который представляет собой очень проницаемый водоносный горизонт с гидроразрывом.Модель Manga [2004] производит выбросы от 0,5 до 2,5 × 10 6 м 3 / с для долин Атабаска (рис. 1d), что соответствует оценкам пиковых расходов 1-2 × 10 6 м 3 / с на основе полного сброса [ Burr et al. , 2002]. Усовершенствованные методы оценки расхода, основанные на гидродинамических моделях с использованием моделей рельефа с высоким разрешением, обеспечивают выбросы того же порядка величины [ McIntyre et al. , 2012]. В его модели Manga [2004] моделируется одна большая трещина, которая достигает основания водоносного горизонта глубиной 3 км; в отличие от нашей модели, трещины присутствуют только в ограничивающей криосфере наверху водоносного горизонта.Кроме того, Manga [2004] использует высокую проницаемость 10 9 м 2 , что может завышать расход грунтовых вод.

Важное значение имеет происхождение трещин, которые выводят грунтовые воды на поверхность. Когда эти трещины являются результатом гидроразрыва непосредственно под давлением грунтовых вод, размер отверстия составляет порядка миллиметров [ Andrews-Hanna and Phillips , 2007]. Результаты нашей модели показывают, что более крупные трещины не вызывают более сильного оттока, когда поток грунтовых вод из водоносного горизонта ограничивает отток.Однако при рассмотрении тектонических трещин, которые проникают глубоко в водоносный горизонт, как в случае модели Manga [2004], водоносный горизонт может поставлять больше воды из-за большей поверхности контакта между водоносным горизонтом и трещиной.

Механизм глубоких трещин кажется маловероятным для больших хаотических территорий, поскольку падение гидравлического напора в трещине будет препятствовать потоку грунтовых вод в районы, расположенные ниже по течению. Отток в этом случае будет происходить из одной глубокой трещины, такой как отток из Cerberus Fossae (Рисунок 1d), а не из сети трещин, такой как Iani Chaos (Рисунок 1c).Таким образом, мы интерпретируем трещины в хаотической местности не глубже, чем ограничивающая криосфера. Глубокие водоносные горизонты могли питать каналы оттока, которые имеют единственный источник ямы или трещины. Примеры таких источников находятся в Аллегейни, Элавере, Валла Уолла, Атабаске и Мангала Валлес [ Head et al. , 2003 г .; Ханна и Филлипс , 2006 г .; Coleman et al. , 2007b; Komatsu et al. , 2009]. В последнем случае напряжение, создавшее трещину, также может быть причиной повышения давления в водоносном горизонте [ Hanna and Phillips , 2006].

Отток грунтовых вод путем просачивания или трещин в большинстве случаев ограничивается свойствами водоносного горизонта, который питает грунтовые воды. Только модели с оптимальной настройкой трещин, выступающих глубоко в водоносный горизонт, и нереалистично высокой проницаемостью водоносного горизонта приводят к разгрузкам, которые соответствуют наблюдаемым морфологическим ограничениям. В следующих разделах мы обсудим механизмы, которые могут увеличить ограниченный отток подземных вод за счет буферизации и воронки поверхностных или подземных резервуаров.

5.3 Пруд на поверхности

В наших экспериментах сбор грунтовых вод в поверхностном озере привел к пику расхода, который превышает поток грунтовых вод. В нашем эксперименте с самым низким давлением (Эксперимент 1) окончательная морфология не показывает никаких доказательств самого оттока грунтовых вод, поскольку поток просачивания был слишком низким, чтобы произвести какую-либо морфологию. В этом случае эрозионная сила является результатом того, что поверхностное озеро действует как буфер и воронка для грунтовых вод, поскольку общая площадь источника просачивания грунтовых вод была больше ширины канала оттока.

Несколько марсианских выходных каналов берут начало из поверхностных впадин, например, Маадим, Ландон, Морава, Элавер и Окаванго Валлес [ Coleman , 2013; Irwin et al. , 2002; Mangold and Howard , 2013]. Как и в наших экспериментах, источник грунтовых вод для этих озер может быть не виден на морфологии. Кандидатами в такие системы являются углубления с выходным каналом, но без входного канала. Пополнение таких озер региональной артезианской фильтрацией предполагает отсутствие криосферы или ее прерывистость (рис. 6а).Такие каналы могут образоваться либо до наличия обширной криосферы, либо в результате мягких разрушений криосферы из-за слабого давления водоносного горизонта или регионального таяния криосферы вместо разрыва.

Образование Маадим Валлис, вероятно, является результатом выброса воды из большого озера. В обширном бассейне собрано большое количество воды, возможно, из грунтовых вод [ Irwin et al. , 2002]. Подобно нашим экспериментам, сбор грунтовых вод в озере требуется для создания достаточно большого резервуара воды, чтобы вырезать канал оттока.Низкая возвышенность области источника Маадим способствует подпитке за счет грунтовых вод, и возможный прямой путь подпитки подземных вод — это базальная вода из южной полярной ледяной шапки [ Clifford , 1987]. Возможным источником воды для нескольких бассейнов в Исмениус Лакус, питавших долину Окаванго, также является подпитка подземными водами [ Mangold and Howard , 2013]. Отдельные бассейны представляют собой локальные понижения, но вся территория имеет более высокую отметку, чем прилегающие северные равнины. Питание в локальных депрессиях предполагает отсутствие ограничивающего слоя, но питание в регионально возвышенной области нельзя объяснить без ограниченного водоносного горизонта.Таким образом, регион Исмениус-Лак является хорошим кандидатом для регионально нарушенной или частично развитой криосферы.

Бывшие поверхностные озера, возможно, также существовали на Капри Часма [ Coleman et al. , 2007a] или в Валлес Маринерис [ Harrison and Chapman , 2008]. Harrison and Grimm [2008] и Fueten et al. [2014] предполагают существование таких озер в нескольких хаотических ландшафтах и ​​Juventae Chasma, чтобы объединить большое количество требуемых событий оттока подземных вод, предсказанных численным моделированием, и небольшое количество явлений, видимых в речной морфологии ниже по течению.Для таких предполагаемых озер, которые полностью попадают в Хаос или Разрез, поверхностная депрессия должна была присутствовать до хаоса, иначе могли возникнуть только более поздние события оттока [ Harrison and Grimm , 2008].

Глубина наивысшей точки водослива ограничивает максимальный объем воды, отводимой из такого поверхностного озера. Максимальный кумулятивный разряд достигается, когда впадина источника заполнена полностью, а канал прорезается за одно событие.Для Рави Валлис, нашего модельного исследования, депрессия источника имеет площадь поверхности 2500 км 2 , максимальная глубина составляет 3 км, но глубина в точке истока составляет около 1 км (рис. 1b). Таким образом, одно событие разлива озера для Рави Валлис ограничено примерно 2500 км 3 воды, что составляет примерно одну четвертую минимальной оценки в 11000 км 3 , необходимой для формирования этого канала оттока [ Leask et al. , 2006], но эта оценка требует очень высокой концентрации наносов.Точно так же расчетный максимальный объем возможного озера в Валлес-Маринер составляет 110 000 км 3 , что составляет около одной трети совокупного объема стока для Симуд Валлес, основанного на высоких концентрациях наносов [ Harrison and Grimm , 2008; Harrison and Chapman , 2008]. Сток из поверхностных озер имеет правильный порядок величины для образования каналов оттока, но только при допущении очень высоких концентраций наносов.

5.4 Извержения подземных резервуаров

В нашем эксперименте с высоким давлением (Эксперимент 3) изгиб поверхности создал пространство для подземного резервуара, что привело к высокому оттоку.Подземные резервуары существуют в наземных условиях, например, под ледяной шапкой Антарктики [ Dowdeswell and Siegert , 1999] и, возможно, существовали на Марсе [ Rodríguez et al. , 2003, 2011]. Мы показали, что изгиб под давлением грунтовых вод — возможный механизм в марсианских условиях для образования подземных резервуаров. Ниже мы обсудим этот анализ, эффективность оттока при таком извержении коллектора и морфологические элементы, которые могут указывать на его прежнее присутствие.

Для нашего анализа изгиба в марсианской обстановке мы приняли основание криосферы как горизонтальный слой, где вода под давлением вызывает деформацию криосферы наверху. Важными факторами, определяющими величину прогиба и, следовательно, размер образовавшегося подземного резервуара, являются пространственная протяженность резервуара, а также толщина и прочность криосферы.

Для нашей модели мы использовали прочность 20 МПа, исходя из прочности базальта [ Schultz , 1993].Прочность криосферы может варьироваться в зависимости от предполагаемого состава. Верхняя часть криосферы, вероятно, состоит из ударных выбросов, цементированных поровым льдом. На большей глубине криосфера, скорее всего, состоит из уплотненного реголита или базальта. Для самой верхней части криосферы мы предполагаем предел прочности смесей льда и отложений на разрыв, который примерно на порядок ниже, чем у горных пород [ Lange and Ahrens , 1983]. Однако распад всей криосферы зависит от появления трещин в основании.На глубине криосфера состоит из горной породы или трещиноватой породы [ Hanna and Phillips , 2005], заполненной льдом. Прочность здесь сравнима с породой или даже выше из-за дополнительной прочности льда в порах.

Смоделированная нами толщина криосферы 3 км в нашем примере Рави Валлис хорошо укладывается в оценочный диапазон толщины криосферы [ Lasue et al. , 2013]. Толщина криосферы зависит от тепловых свойств литосферы, геотермальных и солнечных тепловых потоков.Расчетная мощность увеличивается с увеличением широты, более высокой точки замерзания и более низкого литосферного теплового потока [ Clifford and Parker , 2001; Lasue et al. , 2013]. Кроме того, считается, что толщина криосферы увеличивалась в гесперидском и амазонском периодах. В нашей модели подземного резервуара более толстая криосфера приводит к более высоким объемам резервуара; таким образом, оценки, вероятно, консервативны.

Латеральная протяженность подземного резервуара имеет большое влияние на его объем.Однако этот параметр плохо ограничен, поскольку у нас нет достаточной информации о глубоких недрах Марса. Мы оценили минимальный размер, но геологические свойства имеют большое влияние на то, где начнется формирование такого коллектора и насколько большим он может стать. В нашем тематическом исследовании мы использовали практический подход, поскольку мы основывали наш радиус деформации на размере области трещины выше по течению от Рави Валлис, которая могла бы быть результатом деформации.

Наши эксперименты и модель продемонстрировали, что обрушение подземного коллектора способно вызвать высокий пик разгрузки.Такие пиковые расходы остаются высокими, даже когда объем резервуара небольшой, и могут составлять большую часть общей эрозии в системах выходных каналов Марса. В отличие от прямого оттока из водоносного горизонта, результаты нашей модели показывают, что сброс из подземного резервуара может вызвать большие паводковые сбросы, аналогичные расчетному пику сброса 1–3 × 10 7 м 3 / с, что предположительно сформировал Рави Валлис [ Leask et al. , 2006]. Отток грунтовых вод продолжается даже после истощения водохранилища, но при меньшем расходе из-за просадки и пониженного давления грунтовых вод.Однако после такого бурного начального извержения трещины в криосфере и, возможно, в самом водоносном горизонте являются эффективными путями для продолжения оттока, который действует как воронка, поскольку затронутый регион коллектора может быть намного больше, чем фактическая площадь оттока (Рисунок 6c). . Этот механизм воронки может объяснить больший объем воды, необходимый для канала оттока, по сравнению с объемом, создаваемым изгибом плюс дополнительный объем проседания.

Морфологическим свидетельством существования образования и прорыва подземного коллектора являются как концентрические, так и радиальные трещины.Картина напряжений в криосфере из-за изгиба предсказывает образование разломов растяжения на поверхности в центре деформированной области. Это было показано в нашем эксперименте по полигональным трещинам, которые возникли при формировании подземного коллектора (рис. 5c). Основываясь на наших предсказаниях модели и наших экспериментальных наблюдениях, мы ожидаем начального схлопывания и истечения на внешнем пределе деформации. После обрушения подземный резервуар истощается, что приводит к быстрой дефляции. Полученная морфология не показывает выпуклость, которая была до вспышки.Однако могут быть случаи, когда такая выпуклость все еще присутствует, но не будет связанного с ней канала оттока. В наших экспериментах новые трещины не образовывались во время обрушения коллектора, но в реальных случаях мы ожидаем образование концентрических трещин, аналогично наблюдениям за обрушением ледяного покрова, связанным с событиями Йокульхлауп [ Björnsson , 2009]. Ожидаемая картина трещиноватости расположена не только вокруг оттока, но и по всей площади над подземным озером.

5.5 Отток подземных вод через хаотичные ландшафты

Хаотические ландшафты на Марсе имеют структуру изломов, аналогичную той, что наблюдалась над куполообразным резервуаром в нашем эксперименте. Эти ландшафты в основном состоят из многоугольной сети трещин на дне хаоса и концентрических трещин вокруг хаотической местности [ Roda et al. , 2014]. В наших экспериментах многоугольные трещины были результатом надувания поверхности, в то время как аналогичные закономерности были приписаны проседанию, например, в Iani Chaos [ Warner et al., 2011], Aureum Chaos [ Rodríguez et al. , 2005] и Aromatum Chaos. Эти области также демонстрируют особенности обрушения за пределами самого хаотического ландшафта. Это указывает на то, что просадка простиралась дальше самой области истечения, что также имело место в наших экспериментах.

Помимо Марса, Мишо и Манга [2014] предлагают аналогичный механизм формирования хаотических ландшафтов на юпитерианской луне Европе, в основном в результате образования жидких водных порогов в ледяной оболочке Луны.Этот механизм эквивалентен подземным резервуарам, которые сформировались в нашем эксперименте, и механизм объясняет хаотическую морфологию без оттока воды на поверхность.

В нашей модели изгиба величина проседания является результатом предшествующей выпуклости. Это объясняет снижение поверхности до исходного уровня, но не образование хаотических ландшафтов, которые, кажется, обрушились ниже своего первоначального уровня. Разрушение нижележащего водоносного горизонта и вытеснение подземного материала может объяснить чрезмерное обрушение.Тем не менее, многие хаотические ландшафты демонстрируют обрушение на километр или более, что можно объяснить обрушением в уже существующие полости, такие как ударные бассейны. Roda et al. [2014] предложил обрушение погребенных замерзших озер для хаотической местности, что объясняет большие объемы обрушения из-за существовавшего ранее бассейна. Действительно, такие подледные озера — потенциальные кандидаты на герметизацию.

В Iani Chaos усечение эрозионных канавок обрушившимися бассейнами показывает, что обрушение, вероятно, произошло после образования некоторых эрозионных структур [ Warner et al., 2011], тогда как в нашем эксперименте эти события происходили одновременно. Эту морфологию можно было бы объяснить, если бы эти эрозионные элементы были сформированы первоначальным сильным выбросом грунтовых вод, когда большая часть проседания еще не произошла. Бассейны, описанные Warner et al. [2011] представляют собой схлопывание под начальной поверхностью, которое не связано с схлопыванием изогнутой поверхности, как в наших экспериментах. Такое обрушение могло быть связано с разрушением и дестабилизацией геологической среды, что могло произойти позже или на заключительной стадии оттока, когда речная эрозия фактически прекратилась.

Наш пример Рави Валлис показывает относительно простую морфологию источника и канал оттока ниже по течению, который, вероятно, образовался во время одного события. Другие хаотичные ландшафты демонстрируют более сложную морфологию [например, Meresse et al. , 2008 г .; Warner et al. , 2011] с доказательствами множественного оттока [ Warner et al. , 2009]. Множественные события извержения подземного резервуара потребуют, по крайней мере, повторного замораживания криосферы, чтобы восстановить ее ограничивающие свойства.Эластичность также ухудшается после образования обширных трещин, что приводит к уменьшению объемов коллектора для последующих событий. Углубление криосферы с течением времени [ Клиффорд и Паркер , 2001] могло бы помочь в этом случае, поскольку толщина потенциального изгибаемого слоя и, следовательно, его жесткость на изгиб увеличились.

Короче говоря, существует сильная связь между структурой трещин в хаотической местности и структурой трещин из-за образования и обрушения подземного коллектора.Мы рассматриваем такой резервуар, образованный подземными водами под давлением, как уточненную гипотезу формирования хаотической местности, поскольку это объединяет ранее предполагавшиеся подземные полости [например, Rodríguez et al. , 2005] в хаотичную местность [например, Warner et al. , 2011], а также объясняет высокий отток грунтовых вод через эти территории.

6 Выводы

Мы изучили процессы оттока, возникающие в результате выброса подземных вод под давлением на Марсе.Мы провели серию лабораторных экспериментов с увеличением давления грунтовых вод. Используя численную модель, мы масштабировали наблюдаемые процессы, возникшие в этих экспериментах, на Рави Валлис на Марсе. Мы показываем, что отток грунтовых вод непосредственно из водоносного горизонта не может генерировать реконструированные объемы палеаводнения и сбросы для крупных каналов оттока при небольшом количестве событий. Более того, хотя отток грунтовых вод через трещины может создавать сбросы, сравнимые с выходными каналами среднего размера, более крупные выходящие каналы можно объяснить только буферным механизмом, который может быть либо поверхностным озером, либо подземным резервуаром.Последнее может быть результатом изгиба, вызванного суперлитостатическим давлением грунтовых вод в замкнутом водоносном горизонте.

Наши результаты демонстрируют взаимосвязь между процессами оттока грунтовых вод и давлением грунтовых вод и системами грунтовых вод. При относительно низком давлении грунтовых вод артезианская фильтрация выносит грунтовые воды на поверхность в случае (возможно, только локального) неограниченного водоносного горизонта. Артезианское просачивание происходит в самой низкой точке ландшафта, что способствует образованию озер.Этот процесс неэрозионный, и единственная результирующая морфология — это небольшие отложения на поверхности озера. Расход от этого процесса на порядки меньше, чем предполагаемый расход марсианских каналов оттока, даже с оптимистичными значениями проницаемости водоносного горизонта. Буферизация потока грунтовых вод в поверхностных озерах приводит к более высоким расходам и может объяснить каналы оттока без очевидных источников воды, таких как Окаванго Валлес, Маадим Валлис и Моурт Валлис.

При более высоком давлении грунтовых вод или из-за существовавших ранее трещин поток через трещины выносит грунтовые воды на поверхность.Поток через трещины может привести к разгрузкам, которые имеют порядок величины, необходимый для формирования каналов оттока, но только в очень благоприятных условиях, когда трещины проникают глубоко в водоносный горизонт. Для хаотической местности, где трещины простираются только до верха водоносного горизонта, способность водоносного горизонта обеспечивать подземные воды ограничивает отток воды, и во всех этих случаях сток оттока аналогичен артезианскому просачиванию и, следовательно, недостаточен для формирования наблюдаемой речной морфологии. .

Суперлитостатическое давление грунтовых вод привело к образованию подповерхностного резервуара из-за пустот, созданных изгибом в нашем эксперименте.Этот механизм имел место в наших экспериментах и ​​следует из геофизического анализа, но ранее не учитывался при изучении каналов оттока Марса. Отток под давлением и обрушение подземного коллектора приводит к сбросам, сравнимым с расчетными значениями, необходимыми для эрозии выпускных каналов. Более того, изгиб криосферы из-за давления грунтовых вод способен создавать объем подземного резервуара, который объясняет образование каналов оттока одним или небольшим количеством событий.Кроме того, этот процесс может привести к хаотической морфологии, состоящей из многоугольных трещин из-за расширения поверхности и последующего обрушения.

Благодарности

Мы благодарим двух анонимных рецензентов и младшего редактора Фрэнсиса Ниммо за конструктивный обзор более ранней версии этой статьи. Эта работа является частью докторского исследования W.A.M., которое финансируется грантом NWO ALW-GO-PL / 10-01. Вклад авторов: Концепция исследования: W.A.M., E.H. и M.G.K .; Схема эксперимента: W.A.M., S.J.M., B.J.M., D.R.P., S.J.C. и M.G.K.; Гидрологическое моделирование: W.A.M .; Геофизический анализ: W.A.M., M.R., and R.G. Все авторы обсуждали результаты, W.A.M. руководил написанием статьи с вкладами и комментариями всех авторов. Авторы благодарны Хенку Маркису за изумительное устройство срабатывания камеры для покадровой съемки, за помощь в проведении экспериментов Тьяллинга де Хааса, Стивена де Йонга, Лейпинга Йе, Криса Ансворта и Роба Томаса, а также Т.d.H. за рецензирование черновика этой статьи. Все экспериментальные данные доступны по запросу у Воутера Марра ([email protected]) и Маартена Кляйнханса ([email protected]).

    Подземные воды | Запорные или артезианские подземные воды

    Подземные воды, отделенные от атмосферного давления относительно непроницаемым материалом, называются замкнутыми подземными водами . Когда в такие зоны проникают скважины, вода поднимается выше точки, в которой она была впервые обнаружена из-за замкнутого пространства. водоносный горизонт находится под давлением, превышающим атмосферное.Ограничивающие пласты различаются по проницаемости и, следовательно, по их способности ограничивать артезианские водоносные горизонты.

    Основное отличие от безнапорного водоносного горизонта состоит в том, что при закачке артезианского водоносного горизонта не происходит обезвоживания насыщенной зоны за счет гравитационного разряда. Колодец, который вскрывает неограниченный водоносный горизонт над замкнутым водоносным горизонтом, может обезвоживать первый за счет гравитационный дренаж и не влияет на артезианские водоносные горизонты, если водоупор между ними имеет незначительную проницаемость.

    Потенциометрическая поверхность — это воображаемая поверхность над водоносным горизонтом, на которую вода из артезианского водоносного горизонта поднимается по трубе.Термин «потенциометрическая поверхность» означает поверхность, указывающую на головку или потенциал, и предпочтительнее, чем термин «пьезометрическая поверхность». поверхность, которая встречается в некоторой литературе. На раннем этапе развития некоторых артезианских бассейнов потенциометрическая поверхность находилась над земной поверхностью, давая начало проточной артезианской скважине. Чаще всего потенциометрическая поверхность находится над верхней частью артезианского водоносного горизонта, но ниже поверхности суши. Этот тип скважины обозначается просто как артезианская скважина .

    Сброс воды из артезианских хранилищ существенно отличается от способа сброса воды в безнапорный водоносный горизонт. Лучший способ визуализировать источник воды в артезианском водоносном горизонте — рассмотреть типичную ситуацию — артезианский водоносный горизонт. состоящий из сланца с незначительной проницаемостью. Учтите, что этот песчаник насыщен и перекрыт 500-футовыми ограничивающими пластами, имеющими среднюю плотность около 2,4 (вес на единицу объема = плотность; плотность воды = 1).В этом случае верхняя часть водоносного горизонта выдерживает нагрузку из камня, равную примерно 520 фунтам. на кв. дюйм (36,4 кг / см 2 ). Часть этой нагрузки поддерживается водоносным слоем песчаника, а часть — водой, которая находится под артезианским давлением и, следовательно, толкает вверх и вниз. против ограничивающих кроватей. Когда артезианское давление снижается, как это происходит рядом с разгрузочной скважиной, способность водоносного горизонта выдерживать нагрузку горной породы уменьшается на величину, пропорциональную снижению артезианского давления; как результат, водоносный горизонт немного обрушивается или сжимается.Часть воды, которая при этом высвобождается из артезианского хранилища, движется к колодцу и из него. Кроме того, в то же время потеря части артезианского напора позволяет воде немного расшириться и таким образом высвобождает больше воды из хранилища. Действие очень похоже на сжатие мехов.

    Оскар Э. Мейнцер был первым, кто осознал и качественно развил эту теорию сжимаемости и упругости артезианских водоносных горизонтов (1928, Сжимаемость и эластичность артезианского водоносного горизонта, Экономическая геология 23, вып.3, 263-291). В 1935 г. Это первое количественное определение количества воды, сброшенной из хранилищ в артезианских водоносных горизонтах. Его пример использования теплопроводности позволил разработать математическую теорию, которая привела к уравнение потока грунтовых вод через проницаемую среду к сбросному колодцу. Полное обсуждение этой и других теорий для определения T (проницаемости) и S (накопления) с помощью полевых испытаний см. В Теории испытаний водоносных горизонтов, USGS Water-Supply. Документ 1536-E Дж.Дж. Феррис, Д. Ноулз, Р.Х. Браун и Р.У. Столлман.

    Коэффициент накопления определяется как «объем воды, измеренный в кубических футах, высвобожденный из накопителя в каждой колонне водоносного горизонта, имеющей квадрат основания в 1 фут и высоту, равную толщине водоносного горизонта, когда уровень грунтовых вод или другое пьезометрическая поверхность опускается на 1 фут ». Становится очевидным, что коэффициент накопления пропорционален толщине артезианского водоносного горизонта. Для большинства артезианских водоносных горизонтов значения колеблются от 10-6 до примерно 10-3.

    Скорость распространения конуса депрессии в артезианских водоносных горизонтах

    Существует большая разница в скорости распространения конуса депрессии (конуса влияния) вокруг нагнетательного колодца в артезианском резервуаре подземных вод (1965, SW Lohman). , Геология и артезианское водоснабжение, район Гранд-Джанкшн, Колорадо, USGS Professional Paper, 109) в отличие от того, что образуется при откачке водоносного горизонта водного горизонта. В неограниченном водоносном горизонте (уровень грунтовых вод) большой объем воды медленно стекает под действием силы тяжести из отложений внутри конуса распространения.В упругой артезианской системе изменение давления пересекает водоносный горизонт со скоростью звука; конус депрессии и область влияния (в которой происходит просадка) растут очень быстро, но с постепенно уменьшающейся скоростью. Область влияния конус впадины в напорной поверхности артезианского водоносного горизонта обычно в несколько тысяч раз больше, чем в безграничном водоносном горизонте.

    Упругие свойства артезианских водоносных горизонтов

    J.G. Феррис из Геологической службы США обсудил этот эффект в неопубликованном меморандуме (около 1947 г.) следующим образом: «Это обычное наблюдение, что колодцы в некоторых районах претерпевают изменения уровня воды в периоды больших колебаний барометрического давления.… Под Под влиянием повышения барометрического давления обнаженный уровень воды в обсадной колонне понижается. Равный эффект передается через столб воздуха и почвы на мелководный уровень грунтовых вод, в результате чего достигается баланс давления внутри и снаружи. колодец вскрывает неглубокий водоносный горизонт, и, следовательно, чистое изменение уровня воды не происходит. В более глубоких водоносных горизонтах, где вода находится под давлением, часть передаваемой нагрузки ложится на твердую матрицу ограниченного водоносного горизонта и баланс переносится закрытой водой.Следовательно, уровень воды в скважине, отводящей замкнутые грунтовые воды, понижен на величину, равную разнице между изменением барометрического давления и частью этого изменения, которое несет замкнутый вода или не переносится скелетом породы. Отношение изменения уровня воды к изменению барометрического давления в эквивалентных единицах называется барометрической эффективностью водоносного горизонта. Обратите внимание, что эффект обратный, то есть при повышении атмосферного давления. уровень воды понижается.«Более тяжелый и плотный воздух при более высоком атмосферном давлении сильнее давит на толщу воды. Эти различия невелики. Обратите внимание, что очень низкое барометрическое давление 28,70 позволяет воде подниматься менее чем на 1-1 / 2. футов выше отметки 29,80.

    Проседание

    Проседание — это понижение уровня земли, которое может произойти где угодно по разным причинам. Это особая проблема на юго-западе Америки и в регионах Высоких равнин, где происходит перекачка артезианских водоносных горизонтов.Это происходит потому, что пласты уплотняются по мере удаления объема грунтовых вод, оставляя пустое пространство, которое закрывается оседающим действием тяжелой покрывающей породы.

    Этот фермер смотрит на землю, которая опустилась в высоту. На этом рисунке показан небольшой пример того, что может произойти, когда земля теряет высоту, иногда очень быстро. Фотография любезно предоставлена ​​USGS.

    Когда подпитка равна или превышает отбор, уровень грунтовых вод поднимется до или выше своего прежнего уровня после откачки.Однако, если забирается больше воды, чем может быть пополнено в водоносный горизонт (перекачка или «добыча»), уровень грунтовых вод понижается. постоянно.

    Когда уровень грунтовых вод опускается на продолжительный период времени, поровые пространства освобождаются от воды на достаточно долгое время, чтобы обеспечить замену воды песчинками, илом или глиной. Там, где вода удаляется из трещин и суставов, вес вышележащий скальный материал постепенно закрывает эти пространства. Оседание больше в пластах с высоким содержанием глины, потому что глина очень сжимаема.Как упоминалось ранее, в глине содержится много воды, но она не позволяет ей течь очень быстро. Большой процент объема некоторых глиняных пластов на самом деле составляет вода. Когда вода удаляется, пласт разрушается.

    После выявления потенциальной проблемной зоны необходимо предпринять шаги для надлежащего управления запасами грунтовых вод в регионе. Это действительно делается во многих частях засушливого Запада. Управление может быть достигнуто путем адекватного размещения скважин, ограничивая сумма вывода и разработка систем для поощрения пополнения баланса.Поскольку закачка песка является еще одним способом удаления материала из водоносного горизонта, тщательный анализ состава пласта важен при выборе фильтров и гравийных фильтров, которые предотвратить перекачку песка.

    Если эксплуатационные скважины выходят ниже плотных пластов, которые стали уплотненными, нижняя часть обсадной колонны останется неподвижной, в то время как вышележащий материал осядет вниз. Возникающее в результате напряжение обычно приводит к разрушению обсадной колонны. Уплотнение водоносной образование и вышележащие образования приводят к необратимому снижению емкости подземных вод в регионе.Это наиболее серьезное последствие из всех, особенно потому, что это чаще всего происходит в засушливых и полузасушливых регионах, где больше всего сильно зависит от запасов грунтовых вод.

    Пополнение артезианских водоносных горизонтов

    В засушливых регионах обнажения обычно высыхают или почти не содержат влаги большую часть времени. Это верно и для обнажения водоносных горизонтов. Выходы этих проницаемых пластов получают воду (подпитку) от осадков или потоков, которые пересекают обнажения.Эти зоны водозабора очень важны, поскольку именно здесь вода попадает в водоносные горизонты и медленно движется вниз по падению пластов под вышележащими водосборными пластами к более низким областям естественного или искусственного сброса. например через колодцы.

    В засушливых регионах небольшое количество воды попадает на обнажения непосредственно из-за осадков, потому что большая часть воды выпадает в самое жаркое время дня в виде полуденных ливней. Однако дожди по вечерам и весенний сток от талого снега в более прохладное время. года вносят немного воды, которая проникает.Большая часть подпитки происходит там, где обнажения пересекаются ручьями или ирригационными каналами и дренажными канавами. Иногда межформационная утечка происходит из-под водоупора, где водоупорный слой является более проницаемым или из-за отсутствия части ограничивающего слоя. Кроме того, некоторая часть воды может просочиться прямо из водоупора в артезианский водоносный горизонт. В зонах разломов некоторая часть артезианской воды из водоносных горизонтов под относительно высоким давлением может протекать. вверх по зонам трещин, которые обычно ограничивают разломы и, следовательно, подпитывают другие артезианские водоносные горизонты, где гидростатические напоры ниже.

    Скорость воды, движущейся через проницаемый артезианский песчаник, очень мала. Используя модификацию закона Дарси, разработанную известным гидрологом Л.К. Венцель (1942, Методы определения проницаемости водоносных материалов, с Специальная ссылка на методы сброса из скважины, документ USGS Water-Supply Paper 887), скорость воды в типичном артезианском водоносном горизонте может быть вычислена как:

    , где v = скорость в футах в день; P = коэффициент проницаемости в галлонах в день на квадратный фут; I = гидравлический градиент, футы в день на квадратный фут; 7.48 = количество галлонов в 1 куб. фут .; и θ = пористость, как десятичная дробь.

    Эта скорость указывает, почему перезарядка происходит медленно. Кроме того, это также указывает на то, почему необходимо учитывать подпитку при оценке общего количества подземных вод, доступных для разработки. Если больше воды сбрасывается естественным и искусственным означает, что чем перезаряжается, потенциометрическая поверхность должна немного снижаться каждый год, и, следовательно, стоимость откачки грунтовых вод должна увеличиваться. Если менеджеры по управлению водными ресурсами стремятся стабилизировать потенциометрическую поверхность, они должны убедиться, что сброс не превышайте перезарядку.

    Одним из способов увеличения искусственного сброса (через колодцы), но не уменьшения общего сброса, является перехват естественного сброса с помощью колодцев. Еще одно важное значение медленной скорости в типичном артезианском водоносном горизонте заключается в том, что качество Уровень грунтовых вод должен изменяться по мере того, как они проникают в водоносный горизонт и пересекают его до точки разгрузки. Эти подземные воды находятся в переходном состоянии сотни, если не тысячи лет. Точно так же продолжительность транзита является фактором в удалении определенных примесей, которые могут присутствовать в воде во время ее проникновения, а также в степени минерализации грунтовых вод в месте их использования.

    Значение вертикальной утечки через водоемы при подпитке артезианских водоносных горизонтов

    Мелкозернистые и почти непроницаемые сланцы и глины (водоупоры) большой мощности и площади являются обычными элементами всех артезианских бассейнов в Соединенных Штатах. Распространенное заблуждение состоит в том, что эти мелкозернистые материалы не протекать. Если бы это было правдой, наши артезианские водоносные горизонты содержали бы только ту воду, которая изначально была заперта в них. В большинстве случаев эта вода будет отражать состав вод в среде осаждения, а именно в исходном море. вода (родственная вода).Кроме того, если бы артезианский водоносный горизонт нельзя было пополнить через ограничивающие пласты, которые перекрывают или лежат под ним, в некоторых артезианских бассейнах Великих равнин и Скалистых гор не останется воды. регионы.

    Самый простой способ визуализировать эффект медленной утечки через сланец или глину — это подумать о размере области, в которой водоупор ограничивает водоносный горизонт. Типичный городок в Соединенных Штатах состоит из 36 квадратных миль и включает более миллиард квадратных футов.Умножая количество квадратных футов в одном поселке на количество поселков, определяющих протяженность артезианского бассейна, получаем общее количество квадратных футов, очерчивающих водоупорную зону. Если бы только очень небольшая сумма воды проходит через каждый квадратный фут водоупора за день или месяц, очевидно, что общая сумма воды, добавляемой в артезианский водоносный горизонт таким образом, должна быть астрономической.

    Это позволяет нам сделать вывод, что артезианские водоносные горизонты подпитываются не только за счет их выходов на поверхность, но и через их водоупоры.Направление грунтовых вод при утечке через пласты, ограничивающие водоносные горизонты, зависит от напора. отношения выше и ниже ограничителей. Поток грунтовых вод всегда идет из регионов с высоким напором (напором) в регионы с низким напором.

    Разгрузка артезианских водоносных горизонтов

    Вода, которая движется через артезианские водоносные горизонты, отводится вверх через области вышележащего водоупорного пласта, которые являются относительно проницаемыми. Зоны разломов и трещин, которые проникают через ограничивающий слой, также позволят воде уйти вверх.Над За период в несколько лет общая скорость естественного сброса за счет восходящего движения подземных вод из артезианской системы равна суммарной скорости подпитки, за исключением воды, сбрасываемой из скважин.

    В засушливых районах утечка воды вверх незаметна, поскольку скорость испарения настолько высока, что поверхность горных пород и отложений большую часть времени остается сухой. Кроме того, количество воды, попавшей в потоки из артезианских водоносных горизонтов в засушливая область настолько мала, что ее невозможно измерить.Например, в юго-западных прибрежных бассейнах Калифорнии часть подземных вод из артезианских водоносных горизонтов сбрасывается в Тихий океан ниже уровня моря.

    Во влажных районах большое количество воды естественным образом сбрасывается из артезианских водоносных горизонтов в родники и ручьи. Сток в ручьи и поток из источников образуют основной поток многих ручьев на Атлантической прибрежной равнине.

    В районе Саванны, штат Джорджия, часть грунтовых вод из основного артезианского водоносного горизонта просачивается через ограничивающие пласты в мелкие четвертичные пески на поверхности или в Атлантический океан (1963, H.Б. Графс и Э. Донски, Геология вторжения в соленую воду и «Ресурсы подземных вод района Саванны, Джорджия и Южная Каролина, USGS Water-Supply Paper 1611»). Это происходит там, где гидростатический напор в артезианском водоносном горизонте больше, чем в вышележащих породах, или выше уровня моря. В закачка большого количества грунтовых вод в районе Саванны сильно изменила направление и скорость движения грунтовых вод. Потребуется управление для предотвращения проникновения соленой воды в пресные водоносные горизонты.Если откачка не превышает поверхности перезарядка, проникновение не должно происходить.

    Низкопродуктивные скважины в артезианских водоносных горизонтах

    Иногда возникает необходимость в разработке водоносных горизонтов с очень низким дебитом. Водоносные горизонты песчаника палеозойского или мезозойского возраста обычно относятся к этой категории. Многие районы США имеют сильно развитые артезианские бассейны. В ранней истории На этих участках колодцы давали воду естественным стоком. Колодцы с достаточно большими артезианскими головками обычно подключались непосредственно к домашним водопроводным системам или к приподнятым резервуарам для хранения.Некоторым скважинам, имеющим небольшой напор и приток, было разрешено впадать в цистерны, из которых при необходимости откачивали воду. В засушливых регионах такие скважины эксплуатировались при почти постоянной просадке, и по мере уменьшения напора уменьшался и расход. В большинстве случаев ориентирами, ниже которых происходила просадка, были высоты над земной поверхностью, до которой вода поднимется при закрытии скважин. Несколько скважин на начальном этапе разработки этих артезианских бассейнов были закрыты и испытаны на достаточно длительные периоды, чтобы определить надлежащую контрольную точку или статический уровень до развитию региона.Таким образом, во многих случаях невозможно вычислить максимальную просадку, которая произошла с момента разработки.

    В других частях страны, особенно на влажном востоке или юго-востоке, скважина, имеющая удельную производительность менее 0,1 галлона в минуту на фут депрессии, будет считаться сухой скважиной, поскольку многие скважины имеют гораздо более высокую удельную производительность, т.е. 10 секунд или даже 100 галлонов в минуту на фут. В западном Колорадо, однако, удельная мощность менее 0,1 указывает на большую ценность скважины, поскольку неглубокие грунтовые воды из аллювия голоценового возраста в долинах ручьев имеют низкое качество и не могут быть использованы.

    Обычно, в последовательности разработки артезианских бассейнов на Западе, скважинам позволяли работать в течение нескольких месяцев или лет до тех пор, пока более широкое освоение не привело к возникновению проблем, связанных с вмешательством в скважину. Сброс одной скважины вызвал бы артезианскую направиться к закату в ближайший колодец. Кроме того, уменьшение естественных потоков, которые пропорциональны доступным напорам артезианских скважин, привело к сокращению сбросов, поэтому были установлены насосы для восстановления дебита скважин до уровня более ранних потоков.

    Шумные скважины в артезианских водоносных горизонтах (крайний пример частого случая)

    В закрытых водоносных горизонтах изменения барометрического давления могут вызвать продувку или всасывание скважины за счет движения восходящих или нисходящих потоков воздуха по трубе. Чтобы это произошло, над водоносным горизонтом должен существовать ограничивающий слой с незначительной проницаемостью. Под под действием увеличения барометрического давления открытая водная поверхность в обсадной колонне скважины сдвигается вниз. Часть передаваемой нагрузки передается через воду в водоносном горизонте, но часть поглощается твердой матрицей геологической толщи, содержащей вода.Отношение изменения уровня воды к изменению барометрического давления в эквивалентных единицах называется барометрической эффективностью водоносного горизонта. Таким образом, при повышении давления уровень воды понижается, и колодец втягивает или засасывает воздух. Как давление уменьшается, верно обратное, и колодец выпускает или выдувает воздух. В некоторых скважинах частое помутнение или цвет воды в колодце перед штормом можно объяснить быстрым подъемом уровня воды, который сопровождает снижение давления, поскольку барометрический минимум приближается.Когда вода устремляется в скважину, она уносит мелкозернистый материал, ил и глину из пласта в открытый ствол или через фильтр. Кроме того, при понижении давления из раствора выделяется некоторое количество газа, и это служит для увеличения мутности воды.

    Следует отметить, однако, что заметное воздействие на артезианские скважины от изменений барометрического давления случается редко. Процентные изменения давления даже на самых резких погодных фронтах невелики. Кроме того, вода как жидкость сжимается и расширяется. лишь незначительно при изменении давления, намного меньше, чем воздух.Воздействие на большинство артезианских скважин представляет собой скорее «легкий вздох», чем заметное «дуновение» или «всасывание», хотя это действительно происходит.

    Приведенная выше информация в значительной степени взята из главы 15 публикации NGWA Press, 1999 г.,
    Гидрология подземных вод для подрядчиков по водоснабжению .

    Водоносный горизонт — Энергетическое образование

    Водоносный горизонт представляет собой пористый водонасыщенный слой песка, гравия или коренных пород, который содержит грунтовые воды или имеет проточные грунтовые воды.Проще говоря, водоносные горизонты — это большие подземные хранилища воды. Они доступны из колодца и обеспечивают мир примерно 1/4 питьевой воды. [1] Верхний уровень подземных вод называется уровнем грунтовых вод. [2] Самый большой известный водоносный горизонт в мире — это Большой артезианский бассейн в Австралии площадью более 1,7 миллиона квадратных километров. [3]

    Водоносные горизонты делятся на неограниченные и закрытые водоносные горизонты: [1]

    • Неограниченные водоносные горизонты имеют под собой слой породы или наносов с низкой проницаемостью и ограничены сверху уровнем грунтовых вод.Поскольку над ними нет ограничивающего слоя с низкой проницаемостью, они называются неограниченными. Это означает, что они обычно находятся ближе к поверхности земли и под более низким давлением.
    • Ограниченные водоносные горизонты — это водоносные горизонты, которые окружают породу как выше, так и ниже пористой породы, ограничивая давление в пористой породе и воде. [2] Это вызывает повышение давления в колодце. Если скважина пробурена в этом замкнутом «герметизированном» водоносном горизонте, внутреннего давления может быть достаточно, чтобы протолкнуть воду вверх по скважине и на поверхность без помощи насоса, иногда полностью из скважины.Этот тип колодца называется артезианским. [2]

    Породы, вмещающие пресную воду, были обнаружены на глубинах более 1829 м, а соленая вода поступала из нефтяных скважин на глубинах более 9144 м. [2] Однако в среднем пористость и проницаемость горных пород уменьшаются по мере того, как их глубина ниже поверхности суши увеличивается. Это связано с тем, что поры и трещины в горных породах, которые находятся на большой глубине, закрыты или значительно уменьшены в размере из-за веса горных пород над ними. [2] Трещиноватые вулканические породы, такие как столбчатые базальты, также являются хорошими водоносными горизонтами. [4] Камни, такие как гранит и сланец, обычно являются плохими водоносными горизонтами, поскольку имеют очень низкую пористость. [4]

    Водоносные горизонты пополняются естественным образом за счет атмосферных осадков, что известно как подпитка подземных вод . Однако скорость подпитки не одинакова для всех водоносных горизонтов; это важно учитывать при откачке воды из колодца. Перекачивание слишком большого количества воды с высокой скоростью снижает уровень воды в водоносном горизонте и, в конечном итоге, приводит к тому, что скважина возвращает все меньше и меньше воды и может даже высохнуть.Некоторые водоносные горизонты можно пополнять сбоку за счет обмена воды со стоком ручья. Пополнение запасов подземных вод происходит очень медленно, при этом скорость пополнения подземных вод обычно составляет менее 1 метра в год, а в засушливых регионах они могут составлять менее 0,1 метра в год. [1] Если добыча подземных вод происходит медленнее, чем они восстанавливаются естественным путем, то водоносный горизонт может быть возобновляемым источником воды.

    Рисунок 1. Диаграмма, изображающая расположение водоносного горизонта и различающая «замкнутый» и «неограниченный». [5]

    Проблемы

    Есть много опасений по поводу использования воды из водоносных горизонтов и того, как это может повлиять на местную географию и экосистемы. Вода часто забирается из водоносных горизонтов быстрее, чем они пополняются естественным путем, особенно в странах с интенсивным сельским хозяйством, таких как Китай, Индия и США, что приводит к истощению ресурсов подземных вод. Темпы водозабора в прошлом веке резко возросли, при этом водозабор в мире увеличился в семь раз, а водозабор на душу населения — в четыре раза. [1]

    Чрезмерная эксплуатация воды также приводит к падению уровня грунтовых вод, а это означает, что для поиска водоносного горизонта необходимо идти глубже. [6] Падение уровня грунтовых вод часто бывает трудно увидеть, поэтому, как правило, слишком поздно действовать, пока ущерб уже не будет нанесен. Первый признак этого — обычно сухие колодцы, за которыми следует потеря воды в более глубоких колодцах. Это сказывается на сельском населении, которое использует водоносные горизонты для водоснабжения, и косвенно увеличивает разрыв между богатыми и бедными в некоторых районах. [1] В других случаях, например, при окрашивании железом, воздействие на здоровье из-за высоких концентраций растворенного железа не является такой проблемой, как эстетическое качество питьевой воды. В других случаях, когда такие элементы, как фторид, уран или мышьяк, встречаются в естественных условиях в высоких концентрациях, это может повлиять на здоровье человека. [7]

    Список литературы

    1. 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 Г. Тайлер Миллер мл.и Д. Хакетт, «Водные ресурсы», в «Жизнь в окружающей среде» , 2-е изд. США: Нельсон, 2011, глава 15, стр. 323-349.
    2. 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 У. Ховард Перлман, «Водоносные горизонты и грунтовые воды, из Школы водных наук Геологической службы США», Water.usgs.gov, 2016. [Online]. Доступно: http://water.usgs.gov/edu/earthgwaquifer.html. [Доступ: 09 июня 2016 г.].
    3. ↑ Данн, Марджери Г. (редактор). (1989, 1993). «Изучение вашего мира: приключение по географии.»Вашингтон, округ Колумбия: Национальное географическое общество.
    4. 4,0 4,1 «Что такое водоносный горизонт?», Imnh.isu.edu, 2016. [Online]. Доступно: http://imnh.isu.edu/digitalatlas/hydr/concepts/gwater/aquifer.htm. [Доступ: 09 июня 2016 г.].
    5. ↑ Wikimedia Commons [Online], доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c7/Groundwater_flow.svg
    6. ↑ USGS. (12 августа 2015 г.). Водоносные горизонты и подземные воды [Онлайн], Доступно: http: // water.usgs.gov/edu/earthgwaquifer.html
    7. ↑ «Подземные воды нуждаются в защите», Environment and Climate Change Canada, 2016. [Online]. Доступно: https://www.ec.gc.ca/eau-water/default.asp?lang=En&n=300688DC-1#protection. [Доступ: 7 июня 2016 г.].

    Формирование долины в результате просачивания грунтовых вод, прорывов подземных вод под давлением и разлива кратерных озер в экспериментах с желобами с последствиями для Марса

    Аннотация

    Остатки речных долин на Марсе свидетельствуют о былом присутствии воды на поверхности.Однако источник воды и гидрологические условия не всегда ясны, особенно в типах долин, которые редки на Земле и где у нас ограниченные знания о вовлеченных процессах. Мы исследовали три гидрологических сценария формирования долины на Марсе: гидростатическое просачивание грунтовых вод, выброс подземных вод под давлением и разлив кратерного озера. Используя физическое моделирование в лабораторных экспериментах и ​​численное гидрологическое моделирование, мы количественно изучили морфологическое развитие и процессы, вовлеченные в формирование каналов, которые являются результатом этих различных источников воды в рыхлых отложениях.Наши результаты показывают, что долины, возникающие из просачивания грунтовых вод в результате направленной эрозии, формируются относительно медленно, поскольку речной перенос происходит в русле, намного меньшем, чем долина. Выбросы подземных вод под давлением образуют характерную зону источника в устье канала за счет процессов псевдоожижения. Эта головка состоит из ямы в случае сверхлитостатического давления и может иметь небольшие радиальные каналы и элементы обрушения. Долины, образовавшиеся в результате разлива кратера и озера, быстро развиваются в процессе постепенной эрозии краев и увеличения стока.Верхняя часть долины в месте истечения кратера имеет сходящуюся веерообразную форму, а быстрое врезание кромки оставляет террасы и особенности обрушения. Морфологические элементы, наблюдаемые в экспериментах, могут помочь в идентификации формирующих процессов на Марсе, если принять во внимание экспериментальные масштабные и литологические характеристики марсианской поверхности. Эти морфологические особенности могут выявить связанные с ними гидрологические параметры и временные рамки формирования долины. Оценка временной шкалы формирования от переноса наносов лучше всего основана на окончательных размерах каналов для долин просачивания грунтовых вод и на размерах долин для сброса подземных вод под давлением и долин разлива кратерных озер.Наши эксперименты показывают, что разные источники воды образуют равнины одинакового размера в совершенно разных временных масштабах.

    Выводы из мелкомасштабной морфологии и экспериментов

    Системы подземных вод под давлением в Луна и Офир-Плана (Марс): выводы из мелкомасштабной морфологии и экспериментов

    Марра, Воутер А .; Хаубер, Эрнст; де Йонг, Стивен М .; Kleinhans, Maarten G.

    (2015) ГеоРесЖ, том 8, стр. 1 — 13

    (Артикул)

    Аннотация

    Каналы оттока на Марсе показывают наличие воды в прошлом, возможно, выпущенной из находящихся под давлением резервуаров подземных вод.Мы стремимся улучшить наше понимание таких систем оттока, чтобы лучше ограничить гидрологические условия на Марсе в прошлом. Мы исследуем морфологию возможных систем оттока подземных вод под давлением на Марсе и сравниваем … Подробнее их к экспериментам по ландшафтной эволюции. Эти эксперименты показывают, что надрезанные каналы, как и классические каналы оттока, образуются на последней, эрозионной, стадии морфологического развития.Этому предшествует образование долей осадка из-за быстрой потери воды за счет инфильтрации. На Марсе мы наблюдаем схожие морфологии, связанные с разными стадиями оттока подземных вод в Лунах и Офир-Плане. В экспериментах ямы образованы давлением грунтовых вод, в то время как ямы в истоках каналов оттока относятся к региональной тектонической структуре и не образованы только грунтовыми водами. Разломы, проседание и обрушение, вероятно, спровоцировали отток из водоносного горизонта под давлением.Этот сценарий согласуется с наличием одного или нескольких ограниченных криосферой водоносных горизонтов от раннего геспера до, по крайней мере, среднего амазонского периода. Выраженная пространственная тенденция более крупных и более развитых систем оттока на более низких высотах предполагает, что объекты, варьирующиеся от небольших лепестков до крупных каналов оттока, были получены из общего водоносного горизонта или из водоносных горизонтов с аналогичным давлением. Требуемая криосфера указывает на холодный климат и обеспечивает отток грунтовых вод даже при атмосферных условиях, неблагоприятных для постоянного присутствия жидкой воды.показывай меньше

    Загрузить / Полный текст

    Ключевые слова: подземные воды, эволюция ландшафта, Марс, канал оттока, масштабный эксперимент, поверхностные процессы, науки о Земле и планетах (все)

    ISSN: 2214-2428

    (экспертная оценка)

    Часто задаваемые вопросы о Springs

    Источники и родниковая вода издавна были источником восхищения и интриги. В древние времена философы и ученые ошибочно полагали, что источники образовались, когда соленая вода из океанов перемещалась по туннелям под землей, очищалась и поднималась на поверхность суши.Источники часто считались загадочными и являются предметом значительного фольклора.

    Римский архитектор Витрувий предложил теорию, принятую сегодня. Он предположил, что источники питались дождями и таянием снега, которые впитывались в землю и вновь появлялись в другом месте. С тех пор многочисленные исследования подтвердили теорию Витрувия.

    В последнее время родники использовались для общественных купален, общественного водоснабжения, частного водоснабжения и поения домашнего скота.Источники в Миннесоте использовались для хозяйственно-питьевой воды для фермерских домов, молочных домов, сараев и резервуаров для домашнего скота.

    Что такое весна?

    Весна возникает, когда грунтовые воды появляются на поверхности земли. Источники бывают разных форм и классифицируются по типу скал, в которых возникает источник, как он образовался, сколько воды течет из источника, температуре воды и если расход воды меняется от сезона к сезону. Некоторые пружины могут попадать в более чем одну классификацию.

    Классификация пружин

    Артезианские источники

    Происходит, когда грунтовые воды под давлением попадают на поверхность земли (рис. 1).

    Фиг.1

    Источник течет, потому что давление в водоносном горизонте (водоносный грунт или скала), который покрыт ограничивающим слоем (глина или другой непроницаемый материал), превышает атмосферное давление на суше. Пружина образуется, когда вода достигает поверхности через трещину или пористый слой.Эти типы источников обычно возникают вдоль разломов (трещины в земле) или в областях с большим топографическим рельефом, таких как скалы или долины.

    Гравитационные пружины

    Образуются за счет впитывания воды в землю до тех пор, пока вода не встретит ограничивающий слой, который не позволит воде просачиваться дальше вниз (рис. 2). Затем вода течет через верх ограничивающего слоя, пока не достигнет поверхности земли. Примерами гравитационных источников являются источники на склонах холмов или скал.Источники на северном берегу озера Верхнее и в долинах рек Миссисипи и Санта-Крус обычно относятся к этому типу.

    Фиг.2

    Многолетние источники

    Осушайте большую площадь земной поверхности и стекайте непрерывно в течение всего года.

    Прерывистые пружины

    Поток только в определенное время года, когда дождя или таяния снега достаточно для подпитки почвы и грунтовых вод.

    Трубчатые пружины

    Чаще всего связаны с известняковыми каналами и пещерами, а также с вулканическими лавовыми трубами.Вода содержится в пещерах или полостях для раствора в известняке или в полых «трубках», образованных охлаждающейся лавой. Полости или трубки могут быть от микроскопических по размеру до больших отверстий размером в несколько десятков футов в поперечнике. Большие трубчатые пружины в некоторых частях Соединенных Штатов текут со скоростью более миллиона галлонов в минуту. Большие источники юго-востока Миннесоты представляют собой трубчатые источники.

    Сепейдж Спрингс

    Образуются, когда грунтовые воды медленно просачиваются из-под земли. Источники слива обычно встречаются в песке, гравии или органических материалах и обычно встречаются во впадинах или дне долин.Сточные источники отличаются от артезианских источников, потому что они не обязательно ограничены (содержатся под плотным слоем глины или другого материала) и обычно имеют слабый поток.

    Термальные источники

    — это источники, которые выделяют грунтовые воды более теплой температуры, чем грунтовые воды в прилегающем водоразделе. Примерами термальных источников являются теплые источники, горячие источники, грязевые котлы и гейзеры, например, в национальном парке Йеллоустоун. Термальные источники чаще всего встречаются в районах с недавней историей вулканической активности.

    Источники и артезианские колодцы

    Источники часто путают с проточными артезианскими колодцами. Артезианская скважина — это скважина или скважина, пробуренная в водоносном пласте или «водоносном горизонте», находящемся под давлением. Вода в артезианской скважине поднимается над кровлей водоносного горизонта (водоносного пласта) до тех пор, пока давление не уравняется. В проточной артезианской скважине вода поднимается над поверхностью земли, и вода вытекает из обсадной трубы скважины для выравнивания давления.

    Источники чистой воды из источников?

    Обычно нет. Качество воды из источников может меняться от года к году и даже от минуты к минуте. Министерство здравоохранения Миннесоты (MDH) регулярно отбирало пробы из родников на наличие бактерий группы кишечной палочки и нитратного азота в 1960-х и 1970-х годах. Колиформные бактерии указывают на возможное присутствие болезнетворных организмов. Повышенный уровень нитрат-азота обычно возникает из-за сточных вод, отходов животноводства или азотных удобрений. Пробы воды были собраны по всему штату из источников в разное время года.Результаты показали, что от 85 до 90 процентов отобранных источников были загрязнены бактериями группы кишечной палочки или нитратами один или несколько раз.

    Источники подвержены загрязнению из-за использования прилегающих земель. Источники обычно образуются в непосредственной близости от места просачивания воды в землю. Эта зона называется зоной «подзарядки». Поскольку зона подзарядки находится близко к выходу из пружины, фильтрация воды и удаление загрязняющих веществ недостаточны. Обычными источниками загрязнения являются септические системы, сараи, удобрения и пестициды, утечки химикатов или нефти, а также старые свалки и свалки.

    Доказано, что периодические испытания источников на наличие бактерий и нитратов в целом неэффективны для обеспечения санитарного водоснабжения из-за быстрых колебаний качества воды и из-за того, что в родниковой воде могут присутствовать многие другие возможные загрязнители. В большинстве случаев пружины не проверялись на содержание пестицидов, промышленных отходов, нефтепродуктов или токсичных металлов. Эти загрязнители могут присутствовать в родниковой воде в то или иное время в зависимости от того, откуда вода берет начало, и от практики землепользования вокруг источника.

    Поскольку качество родниковой воды часто бывает неприемлемым, MDH не рекомендует использовать родниковую воду в качестве источника питьевой воды. MDH рекомендует использовать безопасный, проверенный источник воды, такой как водопровод, правильно построенный частный колодец или вода в бутылках.

    Можно ли защитить источники?

    Многие источники находятся в частной собственности, но если источники расположены в муниципальной, государственной или федеральной собственности, родниковая вода может быть доступна для питья населению.Защиту родников от загрязнения можно улучшить, ограничив практику землепользования вокруг зоны подпитки источников, но нет никаких гарантий. Зоны подзарядки пружин обычно находятся на возвышенности рядом с источником, но зона подзарядки может располагаться за пределами участка, на котором расположен источник.

    Поправки к Федеральному закону о безопасной питьевой воде существенно изменили критерии, в соответствии с которыми поверхностные источники воды, включая родники, могут использоваться в качестве общественного водоснабжения.Начиная с 1993 года, поверхностные водные системы, включая родники, необходимо фильтровать и дезинфицировать, прежде чем вода станет доступной для населения. Дезинфекция родниковой воды затруднена, поскольку дезинфицирующее средство часто не контактирует с водой достаточно долго, чтобы быть полностью эффективным. Федеральный закон о безопасной питьевой воде также значительно увеличит количество тестов, необходимых для родниковой воды. Увеличение затрат на снабжение населения родниковой водой может означать, что большинство родников не будет использоваться в качестве источника питьевой воды, и доступ к источникам будет ограничен.

    Перейти> наверх.

    Вопросов?
    Свяжитесь с отделом управления скважиной MDH
    651-201-4600 или 800-383-9808
    [email protected]

    Министерство здравоохранения Миннесоты

    11.8: Подземные воды — Науки о Земле LibreTexts

    Подземные воды — важный источник пресной воды. Его можно найти повсюду под землей, но его количество и качество ограничены.

    Недвижимость

    Проницаемость и пористость

    Большинство горных пород не являются полностью твердыми и содержат определенное количество открытого пространства между зернами или кристаллами, известного как поры. Пористость — это мера открытого пространства в горных породах, выраженная как процент открытого пространства, составляющего общий объем горной породы или осадочного материала. Пористость может проявляться как первичная пористость, которая представляет собой исходные поровые пространства в породе (например,грамм. пространство между песчинками, пузырьками в вулканических породах) или вторичная пористость, которая возникает после образования породы (например, трещины, растворенные части породы). Литификация рыхлых отложений снизит пористость, поскольку они уплотняют зерна и добавляют цемент (см. Главу 5.3). Вода, задержанная в несвязанных порах породы во время процессов осаждения и литификации, называется связанной водой .

    Проницаемость — это мера взаимосвязанности пор в породе или отложениях.Связи между порами позволяют этому материалу пропускать воду. Сочетание места для заливки воды (пористость) и способности перемещать воду (проницаемость) образует хороший водоносный горизонт — горную породу или отложения, содержащие извлекаемые грунтовые воды. Хорошо отсортированные отложения имеют более высокую пористость, потому что в промежутках между более крупными частицами нет мелких частиц осадка. Глины обычно имеют очень высокую пористость, но поры плохо связаны, что приводит к низкой проницаемости.

    В то время как проницаемость важна как мера способности пропускать флюиды, она обычно не является наиболее часто используемым дескриптором среди геологов для этого свойства. Гидравлическая проводимость — еще одна общая мера связности поровых пространств, которая зависит как от проницаемости, так и от свойств жидкости. Поскольку он учитывает свойства жидкости, гидравлическая проводимость используется как геологами-нефтяниками, так и гидрогеологами для описания производственной способности нефтяных резервуаров и водоносных горизонтов.Высокая гидравлическая проводимость указывает на быстрое прохождение жидкости через водоносный горизонт. Неконсолидированный гравий, сильно трещиноватые и растворенные породы и хорошо отсортированные песчаники обладают высокой гидравлической проводимостью.

    Водоносные горизонты и ограничивающие слои

    Водоносный горизонт представляет собой геологический материал, способный доставлять воду в пригодных для использования количествах. Геологический материал включает любую породу или отложения. Для того чтобы геологический материал считался водоносным горизонтом, он должен быть хотя бы частично насыщенным там, где его открытые пространства заполнены водой, и быть проницаемым, т.е.е. способен пропускать воду. Для водоносных горизонтов питьевой воды вода также должна быть питьевой . Водоносные горизонты могут сильно различаться по масштабу, от охвата нескольких формаций до ограниченного небольшого участка на склоне холма. Подходящие для водоснабжения водоносные горизонты бывают как проницаемыми, так и пористыми.

    Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Потенциометрическая поверхность и уровень грунтовых вод в системе водоносного горизонта.

    Хороший водоносный горизонт обеспечит достаточное количество воды для удовлетворения спроса. Количество воды, которое водоносный горизонт может удерживать и передавать, определяется его физическими свойствами.Проще говоря, пористость и проницаемость водоносного горизонта (определенные выше) являются переменными, которые определяют его гидравлическую проводимость и сохраняемость .

    A Ограничивающий слой — это слой геологического материала с низкой проницаемостью, который ограничивает поток воды в водоносный горизонт или из него. Ограничивающие слои включают водоёмов (также известные как водоемы), которые настолько непроницаемы, что через них не проходит вода, и водоёмов , которые значительно снижают скорость, с которой вода проходит через них из-за их низкой проницаемости.

    Поток подземных вод

    С поверхности в землю

    Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Зона насыщения.

    Когда поверхностная вода просачивается или просачивается в землю, она обычно попадает в ненасыщенную зону (также известную как зона вадозы, или зона аэрации). Зона вадозы — это объем материала между поверхностью суши и зоной насыщения, который состоит из геологических материалов, в которых поровые пространства не полностью заполнены водой [34].Корни растений населяют верхнюю зону вадозы. В вадозной зоне давление жидкости в порах меньше атмосферного. Ниже зоны вадозы находится капиллярная кайма. Капиллярная кайма — это обычно тонкая зона ниже зоны вадозы, где поры полностью заполнены водой (насыщение), но давление жидкости ниже атмосферного. Поры в капиллярной кайме заполняются из-за капиллярного действия, описанного в разделе «Свойства воды» выше. Ниже капиллярной каймы находится зона насыщения (a.к.а. фреатическая зона), где поры полностью насыщены, а флюид в порах находится при атмосферном давлении или выше [34]. Граница раздела между капиллярной каймой и зоной насыщения отмечает расположение уровня грунтовых вод.

    Водный стол

    W Эллы — это каналы, которые уходят в землю с отверстиями в водоносные горизонты для извлечения, измерения и иногда добавления воды в водоносный горизонт. Скважины — это, как правило, способ, которым геологи и гидрологи измеряют глубину грунтовых вод с поверхности земли, а также забирают воду из водоносных горизонтов.

    Вода встречается в пористых отложениях и коренных породах. Уровень грунтовых вод — это область, в которой поры полностью насыщены водой. Самый простой случай уровня грунтовых вод — это когда водоносный горизонт не ограничен, то есть у него нет ограничивающего слоя над ним. Ограничивающие слои могут создавать давление в водоносных горизонтах, улавливая воду, которая пополняется на большей высоте под ограничивающим слоем, что позволяет иметь потенциометрическую поверхность выше, чем верхняя часть водоносного горизонта, а иногда и выше, чем поверхность суши.Потенциометрическая поверхность представляет высоту, на которую вода поднимется в скважине, проникая в систему водоносного горизонта под давлением. Прорывы в системе водоносного горизонта под давлением, такие как разломы или колодцы, могут вызвать родников или проточных скважин , также известных как артезианских скважин .

    Уровень грунтовых вод обычно отражает топографию поверхности, хотя и более мягкий, поскольку гидростатическое давление равно атмосферному давлению на поверхности грунтовых вод.Если уровень грунтовых вод пересекает поверхность земли, результатом будет вода на поверхности в виде набирающего потока ручья, источника, озера или заболоченного места. Уровень грунтовых вод пересекает канал для набирающих потоков , которые затем набирают воду из уровня грунтовых вод. Каналы для проигрывающих потоков лежат ниже уровня грунтовых вод, таким образом, проигрывающие потоки теряют воду до уровня грунтовых вод. Потери ручьев могут быть сезонными в сухой сезон или эфемерными в засушливом климате, где они обычно могут быть сухими и переносить воду только после ливней.Кратковременные потоки представляют серьезную опасность внезапных наводнений в засушливом климате.

    В видео упоминается сайт наблюдения за грунтовыми водами Геологической службы США. Вот ссылка на этот сайт: groundwaterwatch.usgs.gov/

    Геологи измеряют высоту уровня грунтовых вод и потенциометрическую поверхность с помощью скважин. Графики глубины залегания грунтовых вод с течением времени известны как гидрографы . Гидрографы могут указывать на изменения уровня грунтовых вод с течением времени.Уровень воды в колодце может изменяться очень часто (каждую минуту), в зависимости от сезона и в течение длительного периода времени, и контролируется многими силами.

    Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Пример гидрографа.

    Закон Дарси

    Закон Дарси — это эмпирическое соотношение, установленное Генри Дарси в 1856 году, показывающее, как разрядка через пористую среду регулируется проницаемостью, давлением и площадью поперечного сечения. В своем эксперименте Дарси использовал трубки с уплотненным осадком, через которые протекала вода.Отношения, описываемые законом Дарси, очень похожи на закон Фурье в области теплопроводности, закон Ома в области электрических сетей или закон Фика в теории диффузии. Закон Дарси позволяет количественно измерить гидравлическую проводимость и расход.

    \ [Q = K * A * \ frac {Δh} {L} \]

    Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): трубка, показывающая устройство, демонстрирующее закон Дарси. Δh будет измеряться поперек L от a до b.
    • Q = расход (объем / время)
    • K = гидравлическая проводимость (длина / время)
    • A = проходное сечение (площадь)
    • Δh = изменение напора (перепад давления)
    • L = расстояние между измерениями давления (h) (длина)
    • Δh / L обычно называют гидравлическим градиентом

    Конус депрессии

    Перекачивание воды из водоносного горизонта снижает уровень грунтовых вод или потенциометрическую поверхность вокруг колодца.В неограниченном водоносном горизонте уровень грунтовых вод понижается по мере удаления воды из водоносного горизонта рядом с колодцем. В замкнутом водоносном горизонте давление вокруг скважины снижается. Величина изменения от уровня до закачки до уровня откачки называется просадкой. Просадка является наибольшей, ближайшей к скважине, что приводит к концентрической схеме просадки, называемой конусом депрессии и депрессией .

    Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Конусы депрессии (Хит, 1983).

    Когда один конус впадины пересекает другой конус впадины или барьерный элемент, такой как непроницаемый горный блок, опускание усиливается.Когда конус депрессии пересекает зону подпитки, конус депрессии уменьшается.

    Перезарядка

    Область подпитки — это место, где поверхностные воды попадают в водоносный горизонт в процессе инфильтрации. Зоны подпитки обычно являются топографически самым высоким местом водоносного горизонта. Для них характерны потери потоков и отложений или горных пород, которые позволяют проникать в недра. Зоны подпитки отмечают начало пути потока грунтовых вод.

    В районе бассейна и хребта зоны подпитки рыхлых водоносных горизонтов в районах долины расположены по краям долины, у подножия гор. В долине Соленого озера, когда горные ручьи покидают гористые районы, они теряют воду из-за богатых гравием дельтовых отложений древнего озера Бонневиль.

    Пополнение может быть вызвано практикой управления водоносным горизонтом, заключающейся в хранении и восстановлении водоносного горизонта. Нагнетательные скважины и инфильтрационные галереи (бассейны) позволяют людям увеличить скорость подпитки водоносной системы [35].Нагнетательные скважины закачивают воду в водоносный горизонт. Нагнетательные скважины регулируются правительством штата и федеральным правительством, чтобы гарантировать, что закачиваемая вода не оказывает отрицательного воздействия на качество или запасы существующих грунтовых вод в водоносном горизонте. Некоторые водоносные горизонты способны накапливать значительные количества воды, что позволяет специалистам по управлению водными ресурсами использовать систему водоносных горизонтов как поверхностный резервуар. Вода хранится в водоносном горизонте в периоды низкого водопотребления и высокого водоснабжения, а затем извлекается в периоды высокого водопотребления и низкого водоснабжения.

    Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Различные способы пополнения водоносного горизонта.

    Разряд

    Разгрузка участков — это места выхода грунтовых вод на поверхность земли. Подземные воды выходят на поверхность земли, когда потенциометрическая поверхность или уровень грунтовых вод пересекают поверхность земли. Для этих территорий характерны родники, текущие (артезианские) колодцы, набирающие потоки и пляжи. Области разгрузки отмечают конец путей потока грунтовых вод. В бассейне и хребте на западе США зоны разгрузки обычно находятся в середине бассейнов долин, где озера, родники и набирающие потоки означают подземные воды, выходящие на поверхность суши.

    Добыча и оседание подземных вод

    Подземные воды как ограниченный ресурс

    Как и другие природные ресурсы на нашей планете, количество пресной и питьевой воды ограничено. Единственный естественный источник воды на суше — с неба в виде осадков. Из-за медленной скорости передвижения, ограниченных площадей для пополнения запасов и увеличения добычи и спроса во многих местах грунтовые воды извлекаются быстрее, чем восполняются. Когда грунтовые воды извлекаются быстрее, чем их можно восстановить, уровни грунтовых вод (потенциометрические поверхности) снижаются, а площади разгрузки могут уменьшаться или полностью высыхать.Ухудшение подземных вод, вызванное перекачкой, известно как добыча подземных вод или овердрафт подземных вод. Добыча подземных вод может привести к высыханию колодцев, уменьшению весеннего и ручного стока и проседанию грунта. Если уровень грунтовых вод на территории постоянно снижается, например, добыча откачкой больше, чем восполнение за счет атмосферных осадков, ведется добыча подземных вод.

    Просадка

    Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Пример трещины в земле в Сидар-Сити.

    Во многих местах вода фактически помогает удерживать скелет водоносного горизонта за счет давления воды, оказываемого на зерна в водоносном горизонте. Если поровое давление снижается из-за добычи подземных вод, водоносный горизонт может уплотняться, в результате чего поверхность земли опускается. Особенно подвержены этому воздействию водоносные горизонты, состоящие из рыхлых отложений. Неконсолидированные отложения с несколькими слоями глины и другого мелкозернистого материала подвергаются большему риску, поскольку глина может значительно уплотняться при сливе воды [36, 37].

    Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): полюс показывает проседание из-за откачки грунтовых вод для орошения в долине Сан-Хоакин в Калифорнии.

    Во многих случаях степень уплотнения в одной области будет больше, чем степень уплотнения в прилегающей области. Различная степень уплотнения в областях, которые находятся рядом друг с другом, может привести к смещению земли и появлению трещин и трещин.

    Проседание в результате добычи подземных вод было зарегистрировано на юго-западе штата Юта, особенно в Сидар-Вэлли, Айрон Каунти, штат Юта.

Ответить

Ваш адрес email не будет опубликован.