Курсовая работа
по дисциплине «Общая геология»
студента очной формы обучения
специальность 21.05.02 Прикладная геология
1 курса группы 08001805
Олейник Данил Петрович
| Допущен к защите «___»____________2018 г. ________ ____________________ Подпись (расшифровка подписи) | Научный руководитель: к.т.н, доцент Игнатенко Игнат Михайлович |
| Оценка______________________ «___»____________2018 г. ________ ____________________ Подпись (расшифровка подписи) |
БЕЛГОРОД 2018
Содержание:
ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………..3
1. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ПОДЗМЕМНЫХ ВОД...................................………........4
2. ВИДЫ ВОДЫ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ………………….......…………………..7
3. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД............................................………...9
4. ИСТОЧНИКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД...................................…………………….10
5. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД................................................13
6. МИНЕРАЛЬНЫЕ ВОДЫ......................................................................................18
7. КАРСТ, СУФФОЗИЯ И ГИДРОВУЛКАНИЗМ.................................................20
ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………………..26
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ…….........27
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность курсового исследования. Подземные воды играют существенную роль в ходе геологического развития земной коры. Их широкое и повсеместное распространение и подвижность приводят к постоянному взаимодействию с горными породами, к перераспределению вещества, к образованию и разрушению месторождений полезных ископаемых и т. д. Геологическая работа подземных вод прежде всего выражается в химическом взаимодействии с горными породами — в растворении, гидратации, гидролизе, карбонатизации, окислении, выщелачивании, переносе вещества. Растворение, выщелачивание, перенос и переотложение пород подземными водами наглядно проявляются при образовании карста и суффозии.
Подземные воды играют громадную роль в природе, участвуя практически во всех физико-географических процессах, происходящих в литосфере. Благодаря их перемещению происходит перенос растворенных веществ, растения получают питательные соли и влагу. Подземные воды активно влияют на формирование рельефа: оползни, суффозия, карст, термокарст; вызывают при определенных условиях заболачивание. Они участвуют в питании рек и озер, являясь при этом самой устойчивой частью стока. Неоценимо ресурсное значение подземных вод. Во-первых, они используются для водоснабжения. Во-вторых, из подземных вод извлекают многие тонны химического сырья: глауберовой соли, борной кислоты, буры и т. д.; получают металлы: цезий, литий, радий, актиний, торий. Разработана технология извлечения из подземных вод стронция, рубидия, мышьяка, вольфрама, калия, магния, бора.
Целью данного курсового исследования является изучение происхождения, классификации, источников, химического состава подземных вод.
Задачами курсового исследования являются:
1. Изучить классификацию подземных вод;
2. Описать виды залегания подземных вод;
3. Выявить значимость подземных вод;
4. Определить свойства и виды подземных вод по химическому составу;
5. Рассмотреть виды воды по их происхождению.
Методами исследования являются: анализ источников литературы по теме курсового исследования, методы сравнения.
Объектом курсового исследования являются: подземные воды.
Структура курсового исследования включает в себя введение, семь глав, заключение, список использованных источников и литературы.
ПРОИСХОЖДЕНЕ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
Исходя из происхождения, подземные воды разделяются нескольких типов: 1) инфильтрационные (Рисунок 1.1), 2) конденсационные, 3) седиментогенные, 4) «ювенильные» (или магмогенные) [1].
Рисунок 1.1 — Инфильтрация воды
Инфильтрационные подземные воды образуются в результате просачивания в глубину атмосферных осадков, выпадающих на поверхность земли. На Земле происходит непрерывный влагооборот, в котором принимают участие атмосферные, поверхностные и подземные воды. Вода океанов, морей, рек под влиянием солнечного тепла испаряется и насыщает газом воздух. Воздушные массы, непрерывно перемещаясь, переносят пары в пределы суши, где при благоприятных условиях они выпадают па поверхность Земли в виде атмосферных осадков. Здесь они расходятся по трем путям: одна часть стекает по склонам в ручьи и реки, которые несут свои воды в моря и океаны; вторая испаряется с поверхности Земли и третья просачивается в глубину, где и происходит накопление подземных вод. Третьи в свою очередь движутся по направлению к рекам и морям. Одним из доказательств именно такого происхождения подземных вод (инфильтрации) может служить качественное и количественное изменение воды в колодцах во время дождливой погоды. Есть основание полагать, что инфильтрация — основной источник пополнения запасов подземных вод [1].
Конденсационные подземные воды. В некоторых климатических зонах, например в пустынях, наблюдаются явления, которые трудно объяснить инфильтрационной теорией происхождения подземных вод. При малом количестве атмосферных осадков с крайне неравномерным их распределением во времени (по нескольку месяцев совсем не бывает дождя) и при огромной испаряемости в пустынях для пополнения подземных вод путем инфильтрации. Между тем на некоторой глубине от поверхности повсеместно в пустынях обнаруживается слой влажных пород пли скопление подземной воды.
В 1877 г. немецкий гидролог О. Фольгер выступил с конденсационной теорией происхождения подземных вод. По его представлениям, теплый воздух, содержащий водяные пары, проникая в более холодные горные породы, отдает им часть влаги путем конденсации. Автор считал свою теорию универсальной и отрицал возможность накопления подземных вод в результате инфильтрации атмосферных осадков — «ни одна капля воды не происходит за счет капель дождевой воды» [1].
Выдвинута теория не была подтверждена экспериментальными данными и совершенно не вязалась с представлениями о скорости воздухообмена между атмосферой и верхними необводненными слоями литосферы, что вызвало резкие возражения против нее.
Конденсационная теория происхождения подземных вод была возрождена на совершенно новой основе русским исследователем агрономом А. Ф. Лебедевым, который выполнил блестящие эксперименты, связанные с вопросом о влажности пород и перемещении влаги в различных состояниях [1].
А. Ф. Лебедев установил, что между атмосферой и литосферой существует известное равновесие в водном режиме. Вода в виде пара находится в свободной атмосфере, а также в воздухе, который заполняет пустоты и поры в почве и горных породах. Водяной пар может перемещаться в пространстве от места к месту вследствие различной упругости [1].
Перемещение пара происходит в направлении от мест, где он обладает большей упругостью, к месту с меньшей упругостью. Если упругость водяного пара в свободном воздухе больше, чем в воздухе, заполняющем поры почвы и горных пород, то он будет перемещаться из воздуха в почву. Попадая в области низких температур, свойственных почве и горным породам, водяной пар начинает конденсироваться (сгущаться) и переходить в жидкое состояние, подобно тому, как образуется роса при резкой смене температур дня и ночи. Так может накопиться некоторое количество воды в породах, что имеет большое значение для засушливых и пустынных районов [1].
Накоплением влаги в почве конденсационным путем можно объяснить то явление, что во многих случаях, несмотря на отсутствие дождей в течение длительного периода, посевы не гибнут. В это время почва с поверхности сильно иссушается, но растения получают влагу, накопившуюся конденсационным путем в более глубоких горизонтах, что и способствует сохранению их.
Конденсация протекает и в других климатических зонах — умеренных и влажных, но в смысле пополнения запасов подземных вод она имеет подчиненное значение в сравнении с инфильтрацией атмосферных осадков. Наряду с конденсацией водяных паров Л. Ф. Лебедев всегда отводил большую роль и процессам инфильтрации [1].
Седиментогенные подземные воды (лат. scdimen-tum — осадок). Это воды морского генезиса, образовавшиеся в процессе накопления морских осадков последующего их изменения [1].
Морская вода с растворенными в ней солями всегда пропитывает иловые осадки, постоянно накапливающиеся на дне моря. В ходе прогибания земной коры и дальнейшего осадконакопления и диагенеза под влиянием все увеличивающегося давления эта вода начинает выжиматься вверх. Это особенно имеет место в алеврито-глинистых осадках. Благоприятные условия для формирования седиментогенных подземных вод создаются на большой глубине (несколько километров) при захоронении их мощными водонепроницаемыми или слабопроницаемыми слоями.
Вместе с тем в ходе геологического развития под влиянием различных факторов седиментогенные воды претерпевают значительные изменения. Иногда происходит смена их с водами других генетических типов, или даже полное вытеснение их инфильтрационными водами.
«Ювенильные» подземные воды. Многие источники подземных вод в областях современной или недавней вулканической деятельности молодых гор обладают повышенной температурой и содержат в растворенном состоянии необычные для поверхностных условий соединения и газовые компоненты. Для объяснения происхождения таких вод австрийским геологом Э. Зюссом в 1902 г. была выдвинута так называемая ювенильная теория. По его представлениям, они могли образоваться из газообразных продуктов, выделяющихся в изобилии из магмы при ее остывании. Попадая в области с более низкими температурами, водяные пары начинают конденсироваться и переходить в капельножидкое состояние, образуя особый генетический тип подземных вод [2].
Однако пары воды, выделившиеся из магмы на глубине, так же как и другие газообразные компоненты, проникая вверх по разломам в земной коре, могут встречаться и смешиваться с обычными подземными водами инфильтрационного происхождения и в таком случае поступают на поверхность в смешанном виде.
ВИДЫ ВОДЫ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ
В горных породах вода находится в порах и пустотах (полостях) в таких агрегатных состояниях: в виде пара (парообразная), жидкости и твердого тела (лед) [2].
Парообразная вода располагается в верхней толще земной коры. В этой зоне постоянно и постепенно осуществляется обмен между воздухом и паром атмосферы, между воздухом и паром пустот и пор горных пород.
Поэтому эта зона получила название зоны аэрации (рисунок 2.1). Мощность ее неодинакова и зависит от типа пород, климатических условий местности и достигает иногда 12 - 16 м от поверхности Земли.
Рисунок 2.1 — Схема залегания типов подземных вод зоны аэрации:
1 - породы зоны аэрации, 2 - грунтового водоносного горизонта,
3 - слабопроницаемые породы, 4 - почвенный слой,
5 - уровень грунтовых вод и капиллярная кайма, 6 - верховодка
Жидкая вода, или вода в виде жидкости, подразделяется на два типа: свободную, или гравитационную, и капиллярную.
Капиллярная вода содержится в горных породах с капиллярными порами и трещинами, ширина (раскрытие) которых меньше 0,25 мм, а диаметр пор менее 1 мм. Содержится капиллярная вода за счет капиллярных (менисковых) сил [2].
Формируется она за счет атмосферных осадков и таяния снега, а также за счет повышения по законам капиллярного движения от нижних водонасыщенных горных пород.
В практике строительства большое значение имеет высота капиллярного поднятия и время капиллярного водонасыщения. Высотой капиллярного поднятия называется расстояние по вертикали, на которую поднимается вода по капиллярам от подземного водоносного горизонта. Высота этого поднятия не зависит от литологического и гранулометрического состава горных пород и может быть определена экспериментально или по формуле французского ученого Жюрена:
Нк = Ск / d,
где Ск - 0,3 - постоянная капиллярного смачивания при температуре 0 °С; d-диаметр пор или раскрытия трещин, мм [2].
Время капиллярного поднятия - это время, в течение которого происходит полное заполнение капилляров водой. Он неодинаков для различных горных пород: в песках около 80, в глинистых грунтах - 350 ÷ 475 суток.
Гравитационная вода. Эта вода не связана с поверхностью частиц и не удерживается Менисковый силами. Она способна перемещаться под действием силы тяжести, то есть под действием разности напоров. Такая вода используется для водоснабжения, и как раз она создает трудности при проходке котлованов и строительстве подземных сооружений. Гравитационная вода является основным предметом нашего рассмотрения [2].
Физически связанная вода образуется за счет адсорбции поверхностью породных частиц в процессе конденсации водяного пара и содержится за счет электромолекулярных сил. Этот первый на поверхности частиц слой воды называется гигроскопической или минеральной водой. Она испаряется при температуре 105-110 °С, не передает гидростатического давления и замерзает при температуре – 70-80 °С [2].
Молекулы воды по своей природе диполями, т.е. имеют ориентацию полюсов. Поэтому первый от поверхности частиц слой воды - гигроскопическая вода удерживает второй и последовательные слои ориентированных молекул, но со значительно меньшей силой. Второй и последующие слои называются пленочной или хрупкотелой водой. Они исчезают при температуре до 105 °С, а замерзает пленочная вода при температуре -17-18 °С. Пленочная вода движется от частиц с более толстой пленкой до частиц с меньшей толщиной пленки [8].
Количество физически связанной воды больше там, где больше удельная поверхность частиц. Например, в монтмориллонитовой глине в 1 см3 содержится более 25 млрд. частиц и при увлажнении она физически связанной воды более 100% объема самих частиц. В песчаных породах всего 1-2% физически связанной воды.
Химически связанная вода входит в состав кристаллической решетки и изымается при ее разрушении. Например, в гипсе CaSO4 · 2H2О. Первая молекула воды удаляется при температуре 118 ° С, вторая - при 40 ° С. Таким образом образуется ангидрит (алебастр). С этим явлением связан эффект приготовления вяжущих (дегидратация-гидратация) [2].
Вода в твердом состоянии имеет место в горных породах при отрицательных температурах до определенной глубины от поверхности. В твердое состояние переходит гравитационная и частично пленочная вода. Это явление носит сезонный характер, а глубина промерзания зависит от климатических условий местности. Так, в Украине она составляет 70 - 110 см, а на севере таких стран, как Канада, Россия на некоторой глубине сохраняется постоянно. Это зона вечной мерзлоты.
При замерзании воды образуется кристаллический лед, и при этом объем увеличивается на 8 - 9%, а в условиях ограничения деформации развивается большое давление (до 1 ГПа), разрушая любые материалы и горные породы. Поэтому подошвы фундаментов всегда закладывают ниже глубины промерзания.
КЛАССИФИКАЦИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
В основу классификации подземных вод могут быть положены различные признаки: способ образования, условия залегания, гидравлические свойства, литологический состав водоносных пород, их возраст, физические свойства подземных вод, их химический состав [3].
По условиям образования подземные воды подразделяются на различные группы, из которых важнейшее значение имеют воды инфильтрационные и частично конденсационные.
По условиям залегания и характеру вмещающих горных пород подземные воды делятся на следующие типы:
· поровые, залегающие и циркулирующие в порах горных пород, которые слагают самую поверхностную часть земной коры;
· пластовые, залегающие и циркулирующие в порах или трещинах осадочных горных пород, перекрываемых и подстилаемых водоупорными породами; в свою очередь подразделяются на порово-пластовые и трещинно-пластовые;
· трещинные, циркулирующие в скальных (магматических, метаморфических и осадочных породах, пронизанных равномерной трещиноватостью;
· карстовые, циркулирующие в массивах карбонатных, гипсоносных и соленосных раскарстованных пород;
· трещинно-жильные, циркулирующие в отдельных тектонических трещинах и зонах тектонических разломов [3].
По гидравлическим свойствам подземные воды делятся на безнапорные, и напорные, когда водоносный горизонт перекрыт сверху водоупорной породой и находящаяся в нем подземная вода, испытывает гидростатическое давление, обусловливающее напор [3].
В зависимости от возраста водовмещающих пород подземным водам присваивается соответствующее наименование: воды каменноугольных отложений, юрских, меловых, третичных и т. п.
По степени минерализации, или по содержанию растворенных солей, подземные воды подразделяются на следующие виды:
· пресные, содержащие до 1 г/ л растворенных веществ;
· солоноватые, содержащие 1-10 г/л солей;
· соленые (10-50 г/л);
· рассолы (свыше 50 г/л).
По температуре подземные воды подразделяются на четыре типа:
· холодные с температурой ниже 20° С;
· теплые (20-37° С);
· горячие (37-42° С);
· очень горячие (термы) с температурой свыше 42° С [3].
На практике существенное значение при характеристике и оценке подземных вод имеет не только общее содержание растворенных солей, но и состав этих солей. В зависимости от преобладания растворенных в воде солей различают воды гидрокарбонатные, сульфатные и хлоридные, а по катионам — кальциевые, магниевые и натриевые.
Помимо солей в подземных водах всегда содержатся различные газы — углекислота, азот, сероводород и др., часто имеющие большое практическое значение. В зависимости от практической значимости растворенного в воде газа различают углекислые, сероводородные, радоновые и другие виды подземных вод. В большинстве случаев подобные воды имеют лечебное значение. Подземные воды, обладающие теми или иными лечебными свойствами, называются бальнеологическими.
Подземные воды, содержащие в растворенном виде какое-либо вещество в концентрациях, при которых возможно извлечение этого вещества, называются промышленными: йодные, бром-йодные, бромные [3].
ИСТОЧНИКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
Источник – естественный выход подземных вод на земную поверхность. Он появляется там, где водоносный горизонт пересекается земной поверхностью (в понижениях уровня рельефа, на склонах оврагов, балок) [4].
Подземные воды находятся в порах и трещинах горных пород в верхней части земной коры. Верхняя граница водонасыщенной зоны называется зеркалом, т.е. уровнем подземных вод. Там, где водоносные горизонты пересекаются с земной поверхностью, возникают источники.
Поскольку глубина грунтовых вод меняется в зависимости от сезона и количества выпадающих осадков, источники могут внезапно исчезать, быть просачивающимися, капельными или бить ключом.
Источники на склонах холмов. В районах с расчлененным рельефом часть воды, которая просачивается в грунт в верхней части холма, может снова выйти на поверхность ниже по склону в виде источника, расположенного выше уровня водотока. Это происходит, если зеркало грунтовых вод выше уровня водотока. Источники возникают там, где вода при движении вниз встречает водоупорный горизонт, а затем выходит на поверхность в месте обнажения водопроницаемых пород. Расход воды источников на склонах холмов обычно невелик и изменчив [4].
Артезианские источники. Вода, поступающая в пористые проницаемые слои, перекрытые водонепроницаемыми породами, может под давлением фонтанировать в низко расположенных выходах, образуя артезианский источник. Иногда артезианские водоносные горизонты занимают значительную площадь, и тогда артезианские источники имеют высокий и довольно постоянный расход воды. Часть известных оазисов северной Африки приурочена к таким артезианским источникам. Там, где имеются разломы в земной коре, артезианские воды поднимаются из водоносных горизонтов вдоль линий разломов. В период между сезонами дождей они нередко иссякают [4].
Карстовые источники. Крупнейшие в мире источники часто связаны с выходом вод из карстующихся известняков. Содержащие углекислый газ просачивающиеся воды способны растворять известняки, поэтому во многих районах, сложенных известняками, распространены карстовые пещеры и каналы. В таких районах довольно часто встречаются подземные реки и очень крупные карстовые источники, например, воклюз на юге Франции, считающийся одним из самых мощных в мире, и Силвер-Спрингс во Флориде, славящийся поразительной чистотой воды. Воклюзы отличаются значительным водяным дебитом и непрерывностью стока. В сутки из крупного воклюза может вытекать до 90 тысяч кубических метров воды. В России известно несколько крупных воклюзов: на Алтае, в Чингизских горах и в районе хребта Каратау [4].
Источники в пористых лавах. Крупные источники имеются в местах выхода подземных вод из горизонтов, сложенных пористыми трещиноватыми лавами. Например, группа таких источников, приуроченных к лавовому плато, питает р.Снейк ниже водопада Шошони (шт. Айдахо) [4].
Горячие источники. Большинство горячих источников приурочено к вулканическим областям, в которых вода нагревается от горных пород, верхних слоев земной коры, расположенных вблизи вулканов, хотя, возможно, часть воды имеет магматическое происхождение. В некоторых горячих источниках (например, Уорм-Спрингс в Виргинии) высокая температура воды обусловлена подъемом воды с больших глубин (ведь температура пород повышается примерно на 1° С с увеличением глубины на 30 м) [4].
Минеральные источники. Вода минеральных источников содержит значительное количество растворенных химических веществ. Теплые и горячие источники обычно имеют более высокую минерализацию, поскольку химические реакции протекают более интенсивно при повышенных температурах[5].
Гейзеры – горячий источник, периодически выбрасывающий фонтаны горячей воды и пара под давлением. Гейзеры являются одним из проявлений поздних стадий вулканизма (рис 4.1) [4].
Рисунок 4.1 — Гейзер
Дата: 2019-02-19, просмотров: 699.
