Походження та принципи класифікації підземних вод

Питання про походження підземних вод цікавило людей з давніх давен. На перших етапах осілого життя, а тим більше в епоху розквіту стародавньої культури в Азії, Єгипті та Європі людям у загальних рисах був зрозумілий зв'язок підземних вод з поверхневими.

Важливе економічне значення природної, і зокрема підземної води, робило її в деяких народів предметом релігійного поклоніння. В стародавній Вавілонії визнавали трьох богів: бога неба, бога землі і бога води.

Ще з другого тисячоліття до н. є. збереглися в горах Агмаганського хребта на території сучасної Вірменії біля виходів деяких джерел кам'яні зображення драконів — символів богів, що мали охороняти підземні води.

Вода була предметом натурфілософських міркувань багатьох давньогрецьких філософів: Анаксімена, Геракліта Ефесського, Анаксагора та ін. Великий мислитель древності Арістотель (384-322 pp. до н. є.) вважав, що підземні води утворюються в горах, внаслідок згущення повітря. Так вперше була висловлена думка про роль конденсаційних процесів в живленні підземних вод. В одному із своїх творів Арістотель порушив питання про походження мінеральних вод і висловив думку про те, що якість води залежить від складу породи, через яку вона протікає.

Значне місце посідають роздуми про підземні води і в натурфілософії давньоримських мислителів. Так, наприклад, Марк Вітрувій Поліо в І ст. до н. є. стверджував, що підземні води і джерела виникають за рахунок просочування в землю дощових та снігових вод. На думку вченого, якщо ці води зустрічають водонепроникний шар, то вони течуть вздовж нього і виходять на поверхню джерелами. Одночасно з цим Марк Вітрувій Поліо вважав можливим конденсування в гірських породах водяних парів, які просочуються з атмосфери і підіймаються з розплавлених мас земних надр. Питання про походження підземних вод і круговорот води в природі висвітлювалося і в творах Лукреція Кара (55-39 pp. до н. е.), Плінія Молодшого (79-23 pp. до н. е.).

Але жодне з припущень древніх греків та римлян не було обгрунтоване експериментальними дослідженнями, всі вони були результатом тільки міркувань.

В наступні віки вчення про походження підземних вод не розвивалося. Навпаки, більшість цінних висловлювань древніх мислителів було забуто або вихолощено, перекручено середньовіковими схоластами.

В епоху Відродження, в XVII-XVIII ст. положення про інфільтраційне живлення підземних вод знову було висловлене багатьма дослідниками. Наприклад, М. В. Ломоносов походження підземних вод пояснює проникненням (інфільтрацією) в землю атмосферних опадів і поверхневих вод. Він відзначав, що просочування поверхневих вод відбувається не скрізь і не в будь-яку пору року, а лише там, де на поверхні залягають водопроникні горизонти порід.

Наприкінці XVIII ст. думка про живлення підземних вод, за рахунок просочування в земну кору поверхневих та атмосферних вод стає основоположною думкою інфільтраційної теорії, яка поступово стає загальновизнаною.

Велике значення для розуміння процесу поповнення горизонтів підземних вод мали дослідження О. Ф. Лебедева, проведені з 1907 по 1919 рік. Для підтвердження своїх теоретичних міркувань він вперше вдався до експериментальних робіт і довів можливість переміщення в гірських породах, головним чином в верхніх горизонтах, вологи в різному стані.

Таким чином, Лебедев встановив, що між атмосферою і земною корою існує певна водна рівновага. Якщо пружність водяної пари в наземній атмосфері перевищує її пружність в підземній атмосфері, то ця пара переміщується з повітря в грунт, де при відповідних температурних умовах можлива конденсація. Таке переміщення водяної пари може відбуватися і в зворотному напрямку з грунту в повітря, а також з одного шару гірської породи в іншу. Взимку водяна пара рухається від нижніх горизонтів вгору (рис. 1).

Рис. 1. Схема утворення ґрунтових вод за О. Ф. Лебедевим

За даними О. Ф. Лебедева, живлення водою ґрунтового шару за зимовий період поблизу Одеси досягає 66 мм, а в районі Ростова-на-Дону — 67-80 мм. Літом навпаки — спостерігається переміщення водяної пари з верхніх горизонтів в нижні аж до горизонту з постійною температурою, де в степових грунтах утворюється перший горизонт підземних вод. Нині конденсаційні процеси не заперечуються, але всі практичні висновки гідрогеологів звичайно базуються на інфільтраційній теорії живлення підземних вод за рахунок атмосферних опадів і поверхневих вод.

Підземні води інфільтраційного і конденсаційного походження часто називають вадозними, тобто такими, які надійшли в надра землі з атмосфери. На відміну від них ювенільні води утворюються безпосередньо в надрах землі.

Теорія ювенільного походження підземних вод вперше була розроблена і висунута австрійським геологом Е. Зюссом в 1902 році. На його думку, вони виникають з водяної пари і газоподібних продуктів, які виділяються з розплавленої магми в глибоких надрах землі. Просуваючись у вищі зони земної кори, ці речовини конденсуються, внаслідок чого і утворюються осередки води.

Отже, це магматогенні води глибоких зон земної кори, які не беруть участі (до появи їх на поверхні землі) в загальному круговороті води в природі. Утворюються вони двома шляхами:

• при виділенні з магми дисеційованих газів водню і кисню та з'єднанні останніх (ювенільні сингенетичні води);
• в процесі випаровування з магми парів, які в верхніх зонах земної кори конденсуються (ювенільні конденсаційні води).

В далекому геологічному минулому ювенільні води займали більшу питому вагу. Але у міру того, як охолоджувалася земна кора, ущільнювались осадові породи, вплив магми зменшувався і формування ювенільних вод уповільнювалося.

Таким чином, утворення підземних вод — складний природний процес. Він проходить у різних умовах і зумовлюється сполученням різних природних факторів — особливостями геологічних структур і складу порід, історією їх розвитку, характером осадонагромадження, геотермічними умовами земної кори, біохімічними і радіоактивними процесами, вулканізмом і метаморфізмом, фізико-географічними умовами (клімат, рельєф, рослинність) — і практичною діяльністю людини.

Принципи класифікації підземних вод. Питанню класифікації підземних вод присвячено багато наукових праць радянських і зарубіжних вчених. В основу класифікації покладаються різні ознаки. У зв'язку з цим розрізняють класифікацію за хімічним складом природних вод (В. І. Вернадського, І. Пальмера, В. О. Александрова, С. О. Щука рева, Н. І. Толстіхіна, О. А. Альокіна) та генетичні й загальні класифікації за походженням, умовами залягання та іншими ознаками (Ф. П. Саваренського, О. М. Овчинникова, Б. Л. Лічкова, О. К. Ланге, Г. М. Йєменського, П. П. Кліментова та ін.).

Єдиної класифікації природних вод не існує. Це пояснюється чисельністю природних і штучних факторів, які впливають на умови утворення і залягання підземних вод. Основні з цих факторів: геологічні, умови залягання підземних вод, їх характер та живлення, кліматичні особливості, господарська діяльність людини та ін.

За умовами залягання та циркуляції розрізняють підземні води в поверхневих шарах (перший від поверхні горизонт підземних вод) й ті, що залягають глибоко.

Склад водовмісних порід також може бути дуже важливою класифікаційною ознакою. Наприклад, у рихлих осадових відкладах, як правило, залягають порові води, в тріщинуватих скелястих породах — тріщинні, в закарстованих породах, які легко розчиняються (вапняки, гіпс та ін.) — карстові води і т. д.

Залежно від тиску бувають безнапірні води з вільною поверхнею і напірні води.

Прикладом класифікації підземних вод за хімічним складом є класифікація В. І. Вернадського. Згідно з нею є такі групи підземних вод:

• прісні — з загальною мінералізацією до 1 г/л,
• солонуваті — від 1 до 10 г/л,
• солоні — від 10 до 50 г/л та
• ропа — води із загальною мінералізацією від 50 до 400 і більше г/л.

Ця класифікація має велике практичне значення в зв'язку з тим, що ступінь загальної мінералізації вод зумовлює використання їх для тих чи інших народногосподарських цілей. Так, води з вмістом солі до 1 г/л широко використовуються для питного водопостачання та зрошування; води, мінералізація яких значно перевищує 1 г/л, застосовуються як мінеральні лікувальні, з високомінералізованих вод видобуваються різні солі.