Подземные воды имеют весьма разнообразный химический состав. В подземных водах находятся растворенные вещества, диссоциированные на ионы, коллоидные частицы, газы, микроорганизмы. Эти компоненты поступают в воды из горных пород, атмосферы и с поверхностными водами. Воду считают универсальным растворителем. По-видимому в природных водах содержатся все элементы периодической системы Менделеева, но к настоящему времени их обнаружено немногим более 60 элементов.

Химический состав воды устанавливают путем анализа проб, отобранных из скважин, колодцев и родников. Тип химического состава подземных вод зависит от содержания ионов кальция, магния, натрия, хлора, сульфат- и гидрокарбонат- ионов. Кроме содержания этих ионов и массовой концентрации сухого остатка в воде, при анализе определяют водородный показатель, ее  жесткость, агрессивность, а в некоторых случаях – содержание железа, коллоидов, газов, микрокомпонентов, органических веществ, бактериологический состав и т.д.

Общая минерализация воды – это сумма растворенных в ней элементов. Она также может оцениваться по сухому остатку, выраженному в г/л или мг/л, который получается после выпаривания воды и высушивания солей при 110^оС. По величине общей минерализации подземные воды делятся на пресные (с сухим остатком до 1 г/л), слабосоленые (1 -5 г/л), солоноватые (5 – 10 г/л), соленые (10 -50 г/л), и рассолы (50 – 650 г/л). Общая минерализация является одним из основных показателей при оценке качества воды. Практически при общей минерализации более 2-3 г/л вода считается непригодной для питьевых целей.

Реакция воды – это концентрация водородных ионов, для выражения которой принято пользоваться логарифмом их концентраций, взятых с обратным знаком: рН= -lg(Н+). При рН меньше 7 вода кислая, при рН больше 7 – щелочная. В нейтральной воде рН=7.

Жесткость воды обусловлена концентрацией ионов кальция и магния.

Существует несколько форм выражения анализа воды: ионная (или массовая), эквивалентная и процент-эквивалентная.

При ионной форме содержание ионов приводят в граммах или миллиграммах на литр (г/л, мг/л).

Эквивалентная форма позволяет судить о возможных сочетаниях катионов и анионов. Чтобы выразить содержание иона в данной форме, необходимо массовое содержание (мг/л) этого иона разделить на его эквивалентную массу или умножить на пересчетный коэффициент – величину обратную эквивалентной массе. Окончательный результат выражают в миллиграмм-эквивалентах на литр (мг-экв/л). Суммы эквивалентных единиц катионов и анионов равны, так как они вступают во взаимосвязь в соответствии со своими эквивалентными массами.

При процентно-эквивалентной форме содержание ионов, взятое в эквивалентах, выражают в процентах от суммы катионов или анионов, принимаемых каждая за 100 или 50%. Эта форма удобна для сопоставления вод различной минерализации и выявления соотношения соответствующих ионов.

Наглядной формой записи результатов анализа является формула Курлова. В этой формуле слева от дроби указывают общую минерализацию в г/л с индексом М, в числителе содержание анионов как правило в %-экв.  в убывающем порядке, в знаменателе главные катионы в том же порядке. Например:

                 (5.1)

Существует множество классификаций подземных вод по их химическому составу. Наиболее простой является классификация, основанная на учете преобладающих ионов. В вышеприведенном примере эти воды по такой классификации будут называться сульфатно- натриевыми.

Химический состав подземных вод в определенной степени коррелируется с их общей минерализацией. Так, пресные воды обычно имеют гидрокарбонатный состав, слабосолоноватые – гидрокарбонатно-сульфатные, сильносолоноватые – сульфатные или хлоридно-сульфатные, соленые – сульфатно-хлоридные, сильно соленые и рассолы – преимущественно хлоридного состава.

Химический состав подземных вод, особенно грунтовых, изменчив во времени. Результаты определения его графически изображают в виде гидрохимических карт, профилей, графиков и т.д., характеризующих минерализацию воды, содержание отдельных ионов, типы вод и т.д.

 По происхождению подземные воды делятся на инфильтрационные, конденсационные, седиментационные и воды магматического и метаморфического происхождения.

Инфильтрационные (вадозные) воды образуются в результате просачивания с поверхности земли осадков и поверхностных вод в пустоты горных пород. Эта группа составляет основную часть подземных вод, содержащихся в верхних частях земной коры.

Конденсационные воды образуются при конденсации водяного пара, перемещающегося под влиянием разности упругостей его из атмосферы в горные породы или внутри горных пород – от одного участка к другому. Конденсационное питание подземных вод недостаточно изучено. В некоторых физико-географических условиях, например в высокогорных районах, оно имеет существенное значение, но по сравнению с фильтрационным питанием незначительно.

Седиментационные воды образуются за счет вод водоемов, в которых происходило накопление осадочных пород. Это погребенные воды, сохранившиеся в глубоких частях гидрогеологических и нефтегазоносных структур, обычно отличаются высокой минерализацией и представляют интерес для химической промышленности и как лечебные минеральные воды.

Воды магматического и метаморфического происхождения образуются при извержении и застывании магмы, а также выделяются при метаморфизации минералов и горных пород. Как правило это воды поступающие из больших глубин в виде пара-газовых смесей по зонам разрывных нарушений. Часто их называют ювенильными. В чистом виде они по-видимому никогда не встречаются, т.к. проникая из больших глубин смешиваются с водами верхних горизонтов (инфильтрационными, седиментационными). На данной стадии развития Земли они не играют заметной роли в общем балансе подземных вод. Однако можно полагать, что на ранних этапах развития Земли они сыграли основную роль при формировании гидросферы, в т.ч. морей и океанов.

Единой общепринятой классификации подземных вод в настоящее время нет. Различные исследователи подразделяют их по разным признакам: например по условиям залегания, характеру напора, химическому составу и т.д. По условиям залегания и характеру напора большинство исследователей выделяют три основные типы подземных вод: верховодку, грунтовые и артезианские. Некоторые авторы выделяют особые типы подземных вод: почвенные, трещинные и карстовые воды, а также подземные воды вечной мерзлоты.

Воды зоны аэрации – это воды, залегающие выше зоны насыщения горных пород. Кроме парообразной, физически связанной и капиллярной воды к ним относятся почвенные воды, приуроченные к почвенному слою и верховодка.

Почвенные воды залегают непосредственно у поверхности земли. Они не имеют водоупорного ложа и как бы подвешены в порах почвы, что происходит вследствие капиллярных явлений. Свободные почвенные воды встречаются редко, в связи с сезонным увлажнением или в тех случаях, когда вследствие высокого стояния грунтовых вод происходит заболачивание почвы. В остальных случаях излишек почвенных вод не удерживаемых капиллярными силами просачивается к водопроницаемому слою, образуя верховодку или грунтовые воды.

Подземные воды типа верховодки располагаются на небольшой глубине от поверхности. Они имеют небольшую мощность, ограниченное распространение, часто носят сезонный характер. Образование верховодки связано с наличием в зоне аэрации небольших прослоев и линз слабопроницаемых пород (например глин или суглинков), на поверхности которых задерживаются и скапливаются инфильтрующиеся атмосферные осадки, конденсационные, паводковые или техногенные воды.

Уровень верховодки в естественных условиях испытывает резкие колебания в зависимости от количества атмосферных осадков, влажности воздуха, температуры и других метереалогических факторов. В засушливое время верховодка нередко вовсе исчезает.

Наличие верховодки и сезонный характер ее существования необходимо учитывать при проектировании и строительстве различных зданий и сооружений.

Грунтовые воды – это воды выдержанного по распространению водоносного горизонта, залегающего на первом от поверхности земли водоупоре. На всей площади развития эти воды могут получать питание сверху за счет инфильтрации осадков и поверхностных вод. Их поверхность свободная, то есть давление этой поверхности равно атмосферному. В скважинах и колодцах, вскрывающих грунтовые воды, уровень воды, как правило, устанавливается на той глубине, на которой был вскрыт.

Вблизи крупных рек годовые амплитуды колебания уровня (зеркала) грунтовых вод достигают 3 – 5 м. Наиболее высокие уровни устанавливаются в паводковый период с некоторым запаздыванием по отношению к максимальным уровням в реке. В удалении от рек и озер, на водоразделах амплитуды колебания уровня грунтовых вод обычно не превосходят 1 м, причем эти колебания связаны в основном с инфильтрацией атмосферных осадков. Для суждения об условиях залегания грунтовых вод строят карты гидроизогипс – линий, соединяющих точки зеркала грунтовых вод, лежащих на одном уровне.

Артезианскими водами называются такие воды, которые заполняют водоносный пласт на всю его мощность и ограничены не только водонепроницаемой подошвой, но и водонепроницаемой кровлей. Если напорный водоносный горизонт вскрыть скважиной, то уровень воды в ней поднимется выше кровли водоносного пласта, почему эти воды и называются напорными. Установившийся при этом уровень подземных вод в скважине – это пьезометрический уровень. Пьезометрический уровень определяют в абсолютных или относительных отметках. Линии, соединяющие на карте точки с одинаковыми отметками пьезометрического уровня, называются гидроизопьезами.

Величина напора в том или ином пункте зависит от разности абсолютных отметок области питания водоносного горизонта и пунктов, где вода используется или стекает в реки (рис. 5.1). В некоторых случаях уровень воды в скважинах вскрывших водоносный пласт, поднимается выше поверхности земли и скважины начинают фонтанировать. Артезианские воды называют межпластовыми и они обладают напором. Если водоносный горизонт, залегающий между двумя водоупорами заполнен водой не на полную мощность, формируются межпластовые безнапорные воды. Однако такие случаи на практике встречаются достаточно редко. Геологические структуры более или менее значительного размера, содержащие артезианские воды, носят название артезианских бассейнов.

Рис.5.1 Схема инфильтрационной водонапорной системы: 1 — водоносный горизонт; 2 — залежь нефти; 3 — пьезометрическая поверхность; 4 — земная поверхность; 5 — пьезометрический уровень в скважине; 6 — направление движения вод; 7 — водоупоры

Жильные, трещинные и карстовые воды залегают в массивных горных породах с нарушенной сплошностью пород – трещиноватостью, карстообразованием. Особенно склонны к трещинообразованию кристаллические сланцы, известняки, доломиты. В известняках и доломитах зачастую трещины приводят к формированию карстовых полостей при растворении карбонатных пород. Карстообразование также отмечается в гипсах и соленосных породах.

В областях проявления сильных тектонических движений образуется густая сеть трещин. Трещинные воды, передвигаясь в больших трещинах тектонического образования или в размытых трещинах осадочных пород, носят название жильных вод. По характеру залегания жильные, трещинные и карстовые воды могут относиться к грунтовым водам или межпластовым, напорным или ненапорным.

Воды многолетней мерзлоты подразделяются на надмерзлотные, межмерзлотные и подмерзлотные. Надмерзлотные воды подразделяются на воды деятельного слоя и воды таликов (участков талых пород). Воды деятельного слоя залегают на глубине, не превышающей 0,5 м и имеют небольшую мощность. Они безнапорные, но могут приобретать временную напорность в зимнее время. Межмерзлотные воды заключены в толще вечной мерзлоты. Питаются эти воды за счет вышележащих надмерзлотных вод и подмерзлотных вод, часто обладающих напором. Подмерзлотные воды находятся под толщей многолетнемерзлых пород. Питание этих вод происходит по средством инфильтрации атмосферных осадков, а разгрузка – в таликах под реками, озерами и водохранилищами.

Водные свойства пород

Одна из задач грунтоведения связана с изучением влияния воды на горные породы в отношении устойчивости, сохранения структуры и прочности, а также способности пород поглощать воду и пропускать ее через себя, т.е. так называемые водные свойства пород. Ниже рассмотрены влажность, пластичность, набухание, усадка, размокание, растворимость и другие свойства.

Влажность породы (w) называют отношение массы воды, содержащейся в порах породы, к массе сухой породы m₁ (высушивание ведется при t = 105 – 107°C в течение 8 ч).

                 (5.2)

где m – масса породы в естественном состоянии вместе с содержащейся в ней водой.

Степенью влажности или относительной влажностью породы называется степень заполнения ее пор водой.

Пластичностью называется способность породы изменять под действием внешних сил свою форму (деформироваться без разрыва сплошности) и сохранять полученную форму, когда действие внешней силы прекратилось.

Деформируемость глинистых пород под действием давления зависит от их консистенции (относительной влажности). Для того чтобы выразить в числовых показателях пределы влажности породы, при которой она обладает пластичностью, введены понятие о верхнем и нижнем пределах пластичности.

Нижним пределом пластичности (границей раскатывания) называется такая степень влажности глинистой породы, при которой глинистое тесто, замешанное на дисцелированной воде, при раскатывании его в жгуте диаметром 3 мм начинает крошиться вследствие потери пластических свойств.

Верхний предел пластичности (граница текучести) представляет собой такую степень влажности глинистой породы, при которой глинистое тесто, положенное в фарфоровую чашку и разрезанное глубокой бороздой, сливается после трех легких толчков чашки ладонью. При большой степени влажности тесто течет без встряхивания или при одном – двух толчках.

Разница между верхним и нижним пределами пластичности получила название числа пластичности, которое для разных пород составляет : глины – 17 и более, суглинки 7 – 17, супеси 0 – 7, пески – 0.

Набуханием называется способность глинистых пород при насыщении водой увеличивать свой объем. Коэффициент набухания k обычно определяют лабораторным способом по приросту объема породы в процессе насыщения ее водой.

                  (5.3)

где V – объем набухшей от воды породы; V₁ - объем воздушно сухой породы.

Набухание учитывают при строительных работах. Явление набухания дисперсных пород наблюдается в котлованах, выемках, строительстве платин и водохранилищ, когда изменяются гидрогеологические условия района.

Усадкой породы называется уменьшение объема породы под влиянием высыхания, зависящее от ее естественной влажности: чем больше влажность, тем больше усадка.

Размоканием называется способность глинистых пород в соприкосновении со стоячей водой терять связность и разрушаться – превращаться в рыхлую массу с частичной или полной потерей несущей способности.

Растворимость пород. Подземные воды обладают большой растворяющей способностью. Теоретически почти все горные породы растворяются в подземных водах, однако степень и скорость растворения различны. Одни породы растворяются быстро (например каменная соль), другие медленно (известняки), а третьи растворяются настолько медленно, что практически считаются нерастворимыми (граниты). Процесс растворения зависит от характера породы, свойств воды – ее химического состава, общей минерализации, температуры, скорости движения, растворенных в воде газов и отдельных компонентов.

Способность воды растворять минералы или горные породы, а также цемент, бетон и т.д. называют агрессивной способностью. Вода обладает агрессивной способностью по отношению к данной породе только в том случае, если она не насыщена по данным минералам. Так, вода насыщенная карбонатом кальция, не будет растворять при данных температуре и давлении известняк, вода, насыщенная сульфатом кальция, не растворяет гипс.

При больших скоростях и турбулентном движении, а также при повышенной температуре воды, растворяющая способность ее при прочих равных условиях увеличивается.

Водопроницаемость. Под водопроницаемостью понимают способность пород пропускать (фильтровать) воду по имеющимся в них порам, трещинам и другим пустотам.

Водопроницаемость характеризуется коэффициентом фильтрации под которым понимают количество воды, проходящее в единицу времени через сечение, равное единице, при напорном градиенте, равном единице (либо скорость фильтрации при напорном градиенте равном единице).

Более подробно это понятие будет рассмотрено в разделе 5.5.

Влагоемкость и водоотдача пород. Способность пород принимать, вмещать и удерживать определенное количество воды называется влагоемкостью.

По степени влагоемкости дисперсные породы разделяются на три группы: влагоемкие (глинистые породы), средне влагоемкие (супеси, мелкозернистые пески) и невлагоемкие (пески, гравий и другие крупнообломочные породы).

Суммарное содержание в породе всех видов воды при полном заполнении всех пустот называется полной влагоемкостью породы.

Все виды влагоемкости выражают обычно отношениями массы воды, содержащейся в породе, к массе минеральных частиц (скелета) породы (показатель абсолютной влажности) или же отношением объема воды к объему пор (показатель относительной влажности породы) – коэффициент влажности.

Свойство пород, насыщенных водой, отдавать ее путем свободного стекания называется водоотдачей. Наибольшей водоотдачей обладают крупнообломочные породы, наименьшей – тонкозернистые пылеватые пески. Водоотдача глинистых пород ничтожна, и практически они считаются породами, не обладающими водоотдачей.

Водоотдача горных пород характеризуется коэффициентом водоотдачи, который определяется опытным путем в поле в результате наблюдений за режимом подземных вод или специальных откачек [16].

Определение водоотдачи пород имеет важное практическое значение при расчете осушения горных выработок, строительстве дренажных сооружений, подсчете запасов подземных вод и др.