СПБГУАП группа 4736
температуры и давления толщина диффузного слоя убывает, особенно резкие изменения наблюдаются при 60-80°С. На толщину этого слоя влияет состав обменных катионов. Структурированность воды влияет на характер ее движения под действием внешних сил.
Молекулы любого вещества совершают тепловые трансляционные колебательные движения около временного положения равновесия, переходя скачками из одного положения равновесия в другое. Положению равновесия отвечает минимум энергии частицы. Основные положения теории трансляционного движения молекул вещества были сформулированы Я. И.
Френкелем в 1925 г. В качестве структурной теории водных растворов они получили развитие применительно к проблеме формирования химического состава подземных вод в работах, а применительно к исследованию физических основ фильтрации воды в горных породах - в работе. Частица раствора, совершая трансляционное движение и соударяясь с соседними,
накапливает некоторый запас энергии, который называется энергией активации Еа. Из одного положения равновесия в другое она переместится,
если ее энергия активации E`а окажется больше, чем потенциальный барьер
Ei под которым понимают максимум энергии между двумя соседними минимумами, соответствующими положениям временного равновесия данной частицы. На рис. 2.2, в на кривой потенциальной энергии молекулы А глубокий (левый) минимум отвечает взаимодействию молекулы воды А с ионом С (ион-дипольное взаимодействие) и временному положению равновесия, а правый (менее глубокий)-взаимодействию двух молекул воды А и В (диполь-дипольное взаимодействие) и следующему положению равновесия.
Возможны два случая перемещения частицы жидкости, когда Еа >Ei
или (Eа + Ев) >Еi (где Eв - энергия внешних сил). В первом случае трансляционный скачок равновероятен во все стороны, а во втором -
направлен по действию внешней силы, так как в этом направлении уменьшается Еi.
СПБГУАП группа 4736
Молекулы воды и растворенного вещества перемещаются внутри поры из слоя в слой, хотя толщина самих структурированных слоев, обусловленная минеральным составом скелета, характером раствора и термодинамическими условиями, сохраняется. Принимая, что в общем балансе сил, действующих на связанную воду, доля сил гравитации и гидростатического давления невелика, принято считать физически связанную воду практически неподвижной и условно относить ее к минеральному скелету. Однако нельзя забывать, что количество связанной воды в породе и возможность ее перехода в свободную зависят от температуры, механического давления на породу, минерализации и состава поровой воды.
Капиллярные взаимодействия. В зоне аэрации в условиях неполного водонасыщения воздух представляет собой самостоятельную непрерывную фазу, поэтому в поровом пространстве на контакте воды и воздуха проявляется действие капиллярных сил. Такое взаимодействие наблюдается по простиранию водоносного горизонта на линии уровня грунтовых вод и в вертикальной плоскости, когда в зоне аэрации движется нисходящий поток инфильтрующейся воды (из каналов или шурфов при специальных опытных наливах). На линии, разделяющей области полного и неполного водонасыщения, проявляются капиллярные взаимодействия и формируется зона, которую называют капиллярной. На разделяющей линии гидростатическое давление равно атмосферному и обычно принимается за нулевое; в капиллярной зоне давление отрицательное.
При медленных изменениях гидростатического давления в зоне полного насыщения (например, при колебаниях уровня грунтовых вод)
капиллярная зона успевает перемещаться вслед за движением границы нулевого давления; при быстрых изменениях этого не наблюдается и происходит нарушение контакта. Математически учесть это явление сложно,
и в теории фильтрации обычно по линии уровня грунтовых вод капиллярными взаимодействиями пренебрегают, сохраняя предпосылку о медленном перемещении этого уровня. Детально эти взаимодействия
СПБГУАП группа 4736
учитываются в теории влагопереноса. В нижней части капиллярной зоны капиллярная вода обладает свойствами свободной: передает гидростатическое давление и движется в соответствии с общим уклоном грунтовых вод.
СПБГУАП группа 4736
Глава 3. Закономерности распространения подземных вод в горных породах
Гидрогеологическая стратификация
Гидрогеологическая стратификация осадочных пород исходит из наличия выдержанных по площади водосодержащих коллекторов пластового, порово-пластового, трещинно-пластового пли более сложных типов, чередующихся в разрезе с водоупорными толщами. Строго обоснованная система деления этих толщ на водоносные породы пока
отсутствует.
С конца прошлого века за основное подразделение водоносных пород традиционно принято считать водоносный горизонт (англ. и франц.- aquifer,
нем.- Grundwasserleiter), именуемый иногда водоносным пластом или водоносным слоем. Определение этого понятия до сих пор различными
исследователями дается далеко не одинаково.
В соответствии с имеющимися определениями (М. Е. Альтовского, А.
М. Овчинникова, А. С. Рябченкова, Р. де Уиста и др.), под водоносным горизонтом следует понимать относительно выдержанную и единую в гидравлическом отношении толщу (пласт, слой и т. д.) водопроницаемых горных пород, поры, трещины или пустоты которых заполнены подземной
водой.
Водоносный горизонт чаще всего сложен однородными или близкими по литолого-фациальному составу и фильтрационным свойствам отложениями. Вовсе не обязательна его приуроченность к определенной единице стратиграфической шкалы. Он может быть образован одним или несколькими слоями водонасыщенных пород; в первом случае он будет
однослойным, во втором - сложным: двуили многослойным. |
|
||||
|
Слагающие водоносный горизонт водонасыщенные породы должны |
||||
иметь |
единую |
гидравлическую |
поверхность |
свободную |
или |
СПБГУАП группа 4736
пьезометрическую. От выше- и нижележащих водоносных горизонтов он изолируется водоупорами, что не исключает гидравлической связи отдельных водоносных горизонтов между собой.
По характеру залегания и гидрогеодинамическим особенностям принято различать следующие основные разновидности:
) водоносные горизонты грунтовых вод - первая от поверхности постоянно обводненная толща пород, содержащая воды со свободным уровнем и залегающая на подстилающем ее водоупоре или на породах с иным типом и степенью водопроницаемости.
) водоносные горизонты межпластовых вод - водоносные отложения,
заключенные между водоупорами; они могут быть безнапорными
(грунтовыми) или напорными (артезианскими).
Водоносные породы, залегающие в различных частях разреза, следует относить к разным водоносным горизонтам. Однако в отношении того, надо ли разделять на два водоносных горизонта, например, обводненный аллювий
иподстилающую его водоносную зону интенсивно трещиноватых
«коренных» пород, мнения расходятся. А. С. Рябченков и И. К. Зайцев рекомендуют это делать, а Г. Я. Богданов и В. М. Кононов - объединяют в один водоносный горизонт, если они образуют единое гидравлическое целое.
Точно так же расходятся точки зрения исследователей на максимальную мощность водоносного горизонта.
Более крупной единицей гидрогеологического разреза следует считать водоносный комплекс. Он представляет собой толщу водонасыщенных пород, и которой из-за быстрой смены в плане пли по вертикали состава и свойств пород или вследствие сложных геолого-структурных особенностей, а
нередко в силу слабой изученности невозможно выделить самостоятельные водоносные горизонты.
Водоносный комплекс, по Г. Я. Богданову и В. М. Кононову (1975), это выдержанная толща одноили разновозрастных и разнородных пород,
ограниченная теми или иными водоупорами, затрудняющими или