Геотехника СРС3 Метжанова. Геотехника
 Скачать 93.62 Kb.
|
|
Министерство образования и науки Республики Казахстан Международная образовательная корпорация Казахская Головная Архитектурно-Строительная Академия  СРС 3 по дисциплине «Геотехника» Выполнил: РПЗС 20-9 Метжанова Қ. Проверил: ассист. проф. Ельжанов Е.А. Алматы, 2022 г Содержание Основы гидрогеологии......................................................................................3 Виды воды в горных породах...........................................................................6 Трещинные, карстовые воды и воды зон многолетней мерзлоты.................7 Понятие о водовмещающих и водоупорных породах....................................9 Использованные литературы..........................................................................12 Основы гидрогеологии Гидрогеология – наука о происхождении, условиях залегания, закономерностях распространения и движения подземных вод в земной коре, их физических свойствах, химическом, бактериальном и газовом составе, а также об их режиме и процессах взаимодействия с атмосферой, наземной гидросферой, биосферой, горными породами и веществом мантии Земли. Гидрогеология является частью геологии и изучает подземные воды на основе анализа истории развития земной коры Значение подземных вод, как одного из наиболее подвижных тел земной коры, исключительно велико во всех геологических процессах. Очень важна роль подземных вод в практической деятельности человека. Издавна подземные воды используются для питья и хозяйственных целей. Подземные воды широко используются для лечебных целей (различные минеральные воды). Исключительная роль принадлежит подземным водам как источнику химического сырья. Из них во многих странах добывается бор, натрий, литий, магний, хлор, бром, йод, в меньших объёмах германий, рубидий, стронций, кальций, цезий, а также медь, цинк, уран, радий, вольфрам, мышьяк, сера и др. Серьёзное значение подземные воды имеют как источник тепловой энергии. Теплоснабжение за счёт термальных вод частично осуществляется на Камчатке, в Тюменской и Омской областях и в Бурятии. В некоторых случаях подземные воды являются вредным фактором и играют отрицательную роль. При строительстве гидротехнических сооружений, тоннелей, метрополитенов, при разработке месторождений полезных ископаемых подземные воды часто осложняют ведение работ и требуют значительных капиталовложений для борьбы с ними. Ценность воды, как природного минерала, связана с её исключительными свойствами: исключительная подвижность; способность к фазовым переходам в термодинамических условиях земной коры; чрезвычайная химическая активность; повсеместное распространение Земная кора на 2/3 закрыта океанами, но оставшаяся 1/3 суши пропитана водой. По мнению ряда авторов количество подземных вод в земной коре соизмеримо с количеством поверхностных. Исходя из практических целей, чаще учитывают только свободные и физически связанные воды верхней части земной коры до глубины 5 км. В этом случае доля подземных вод в общем балансе всех природных вод относительно невелика. Объём гидросферы Сложность и многообразие вод на Земле привели к тому, что это единственное природное тело изучается целым рядом наук. Кроме гидрогеологии, природные воды изучаются океанологией, гидрологией, метеорологией, гляциологией, гидравликойи в меньшей степени минералогией, вулканологией, почвоведением, петрографией и геохимией, с которыми гидрогеология имеет генетическую связь. Кроме того, являясь наукой геологической, она тесно связана с общей геологией, геоморфологией, динамической геологией, тектоникой, структурной геологией и учением о месторождениях полезных ископаемых методиками исследований. Разделы гидрогеологии и методы исследований Внутри гидрогеологии развивается целый ряд самостоятельных научных направлений, которые можно разбить на две группы. 1)К первой группе относятся общая гидрогеология, гидрогеодинамика, гидрогеохимия, палеогидрогеология, региональная гидрогеология и экологическая гидрогеология. Общая гидрогеологиярассматривает вопросы происхождения, формирования, геологической роли подземных вод, их физические и химические свойства, изучает структуру, состав и строение подземной гидросферы. Гидрогеодинамика исследует закономерности движения подземных вод под влиянием искуственных и естественных факторов: фильтрацию, конвекцию, диффузию, осмос, капиллярный перенос с учётом конкретной структуры подземного потока, определяемого геологическими особенностями территории. Гидрогеохимия изучает особенности миграции атомов химических элементов в подземной гидросфере, процессы изменения состава подземных вод и их обогащение разнообразными элементами при взаимодействии с горными породами в течение длительной истории геологического развития водонапорных систем. На результатах изучения условий миграции и накопления отдельных химических элементов основаны широко применяющиеся гидрогеохимические методы поисков. Важнейшим вопросом гидрогеохимии является выявление путей формирования разнообразных геохимических типов подземных вод, а также прогноз изменения их качества. Региональная гидрогеология – наука о связи пространственно-временного распределения подземных вод в земной коре с характером и историей развития геологических структур. Она занимается изучением закономерностей условий залегания, распространения и формирования подземных вод в конкретных регионах. Проблемный вопрос – роль геологической структуры в формировании ресурсов и состава подземных вод в конкретном регионе. Палеогидрогеология изучает былые подземные гидросферы в тесной связи со становлением и развитием литосферы. Она же восстанавливает палеогидрогеологические условия конкретной территории, включая геологическую роль воды в формировании месторождений полезных ископаемых. Экологическая гидрогеология делает первые шаги. Строительство водохранилищ, вырубка лесов, распашка земель, разработка месторождений полезных ископаемых и другие виды деятельности человека во многом изменили режим и состав подземной гидросферы, масштабы которого не всегда поддаются простому учёту. Возникла проблема глобального управления подземной гидросферой с целью оценки масштабов возможных изменений геологической и окружающей среды. 2)Ко второй группенаправлений гидрогеологии относятся прикладные дисциплины, определяемые запросами производства. Сюда относятся: поиски и разведка подземных вод, разведочная гидрогеология, гидрогеология месторождений полезных ископаемых (рудных и нефтяных), мелиоративная гидрогеология, гидрогеохимические поиски месторождений полезных ископаемых, гидрогеология городов и охрана подземных вод. Все эти направления тесно связаны и базируются на методах, применяемых в других науках о Земле. Картирование территории – один из основных методологических приёмов, применяемых прежде всего для изучения региональных закономерностей. Изучение гидросферы, как продукта длительного геологического развития, невозможно безгенетического(исторического)подхода. Вода отличается от других геологических объектов постоянным движением, участием в круговоротах. Формы её движения различны (гравитация, диффузия, фильтрация, конвекция, осмос, капиллярный перенос) в общем виде являются частью геологического движения. Познать его невозможно без математического, термодинамического, физико-химического и гидравлического моделирования. Гидрогеология, как и другие геологические науки, опирается на принцип актуализма. Виды воды в горных породах Взяв в руки стакан, в котором питьевая вода, мы редко задумываемся о составе воды, считая ее лишь сочетанием кислорода и водорода. Тем не менее это сложная структура, приобретающая свойства в зависимости от места происхождения. Классификация видов воды в горных породах целая наука. Вода в горных породах 1. Гравитационная или свободная. Источником служат горные ручьи, подземные реки или ледниковые отложения. В свободном состоянии, под действием силы гравитации устремляется вниз по склонам, трещинам или впадинам. Проходя через различные слои породы, насыщается минералами, изменяя структуру. В зависимости от концентрации становится карбонатной, натриевой, хлоридной. Обычно содержит несколько элементов. К этой группе относят капиллярную воду, которая по мелким трещинам (порам) стремится выше общего уровня. Так образуется капиллярная зона, насыщающая влагой грунты и воздух над землей. При условии высокой концентрации капилляров, создаются условия для образования ручьев. 2. Парообразная. Одним из видов воды в горной породе есть образованная испарениями. Процессы в земной толще нагревают слои, которые передают тепло жидкости, переводя в парообразное состояние. Скопления пара концентрируются в подземных пустотах, а после остывания переходят снова в жидкость. Если нет выхода наружу, то процесс повторяется многократно, сохраняя динамическое равновесие. 3. Твердая. Наиболее распространенным видом движения воды в горных породах есть одно из агрегатных состояний – ледник. Образуясь на высоких склонах, где царит постоянная отрицательная температура, лед практически не соединяется с кристаллическими элементами. Продвигаясь под действием силы тяжести вниз по склону, постепенно тает, превращаясь в ледниковые ручьи и реки. 4. Химически связанная. Причиной связи есть взаимодействие молекул твердых и жидких тел. Жидкость присутствует в твердом веществе, соединяясь структурой с кристаллической решеткой. Прочность связи образуется за счет поляризационных свойств молекулы. Минералы способны отдавать воду при увеличении температуры до 300 °С, когда начинает разрушаться кристаллическая решетка. 5. Физически связанная. В суглинках и глинистых грунтах присутствуют включения минералов, способных абсорбировать мельчайшие капельки. Очень полезное свойство для сельского хозяйства, где близко залегающие глинистые грунты удерживают до 20% жидкости. Слабые связи позволяют отдавать влагу растениям вместо полива. Трещинные, карстовые воды и воды зон многолетней мерзлоты Трещинные воды – это подземные воды, приуроченные к трещиноватым скальным породам различным по генезису. Как правило, это безнапорные или слабо напорные воды. Эти воды перемещаются по системе сопряженных трещин различных размеров, образовавшихся в горных породах под воздействием климата, тектоники, рельефа. В зависимости от этих причин образования трещинных зон выделяют: трещинные воды коры выветривания, трещинные воды контактных зон и тектонических нарушений, а также воды лито-генетических трещин. Характер движения трещиноватых подземных вод. Как ни парадоксально, но оно ближе к ламинарному типу. Это важно, т.к. влияет на расчет параметров водоносного горизонта (водопритоки, дебиты и пр.). Распространение – горно-складчатый Урал и Предуралье (частично). Карстовые воды. Карст – это геологическое явление, связанное с воздействием воды (атмосферной и подземной) на определенные типы горных пород (известняки, доломиты, глины, соли) и приводящие их к постепенному растворению и разрушению. Вследствие этого процесса на поверхности образуются воронки, понижения, провалы, а под поверхностью земли пустоты, пещеры, огромные полости. В зависимости от горных пород подверженных выщелачиванию (растворению) выделяют карбонатный, гипсовый (сульфатный) и соляный карст. Карст развивается в растворимых породах при циркуляции в них воды, обладающей агрессивными свойствами и имеющей достаточную скорость движения. Карстовые воды (трещинно-карстовые) – это воды карстующихся массивов горных пород, приуроченные к различному роду пустотам, образовавшимся в результате выщелачивающего действия поверхностных и подземных вод. Главная особенность карстовых вод – это быстрое поглощение поверхностных вод, резкие колебания уровней подземных карстовых вод и очень интенсивное их движение. Карстовые воды по скорости изменения уровня можно сравнить с горными реками, уровень которых, правда, вырастает на несколько метров в течение минут. Кроме того, часто происходит питание и за счет поверхностных водотоков, рек – так называемые «суходолы» (реки попросту пропадают под землей). Таким образом, под землей образуются целые подземные реки. Реки Серьга, Ивдель исчезают в зоне известняков и в незакарстованных областях появляется вновь.Скорость потока воды и значительные по размерам пустоты очень часто приводили к авариям при бурении скважин (буровые колонны проваливались, обрывались и терялись). Химический состав карстовых вод разнообразен и отражает состав вмещающих пород. Наряду с пресными водами верхней зоны (гидрокарбонатно-кальциевые или магниево-кальциевые), обычно появляющиеся на поверхности в виде мощных источников, встречаются сульфатно-кальциевые. Например, такие воды как Кисловодск, Мацеста. Для строительства важно – карстовые воды большей частью агрессивны к бетону. Многолетняя или «вечная» мерзлота – это состояние горных пород, слагающих верхние слои земной коры, которое проявляется в отрицательной температуре и продолжается непрерывно не менее 1 года до тысячелетий и десятков тысячелетий. Распространены в Европе, Азии, Северной Америке, Гренландия, Антарктида (в России – 11 млн. км2, более 60 % территории). Мерзлота, наблюдаемая в поверхностных частях земной коры, разделяется: кратковременная, сезонная, многолетняя «вечная», существующая более одного года. Причины вечной мерзлоты – климатические особенности севера – низкие tº, малое испарение, реликты геологического прошлого – оледенение Земли. Подземные воды многолетней мерзлоты обычно подразделяют: Надмерзлотные воды, залегающие над толщей сплошного распространения многолетней мерзлоты. Многолетнемерзлая толща служит как бы водоупором. Межмерзлотные воды, заключенные внутри толщи вечной мерзлоты. Подмерзлотные воды, залегающие ниже многолетней мерзлоты (кровля). Все эти воды, так или иначе, связаны между собой. Надмерзлотные – находятся неглубоко 0,5–1,0 м, в пределах т.н. «деятельного слоя», т.е. той части мерзлых пород, которые оттаивают в летний период. Зимой они могут промораживаться, т.е. превращаться в лед полностью, частично или вообще не промораживаться. Воды пресные по составу, характеризуются малыми запасами, непостоянным режимом, часто загрязнены органикой, безнапорные. К этому же типу относятся воды несквозных таликов – под руслами рек, озер, в присклоновых участках долин (связано с тепловым действием водоемов), существуют также под уровнем моря в районах выхода древних речных долин в зонах шельфа. Межмерзлотные – могут быть как в жидкой фазе (вода) так и в твердой (лед), т.е. законсервированной. В отличие от надмерзлотных вод, для которых характерна сезонная смена фаз состояния, эти находятся в более устойчивом состоянии. Смена фаз происходит в более длительных периодах (сотен лет и тысячелетий). Большая часть этих вод все-таки находится в жидком состоянии и отличается подвижностью. Нередко напорные. Происхождение обусловлено тремя факторами: сквозные талики (под руслами рек), область развития вод повышенной минерализации (tº=–8º–9º) Область развития радиоактивных элементов (распад U, Ra). Подмерзлотные– здесь могут быть и трещинные и трещинно-карстовые и артезианские. Обычно, на глубоком севере – на значительных глубинах – 200 и более метров. Они всегда в жидкой фазе и обладают напором – скважины. Понятие о водовмещающих и водоупорных породах Артезианские бассейны инфильтрационного типа заполнены водой только метеорного генезиса. Именно для артезианских бассейнов такого типа выделяют три области: инфильтрационного питания (внешняя и внутренняя); напораразгрузки. В этом случае движение воды происходит под влиянием разности напоров в областях питания и разгрузки, пластовое давление в любой части бассейна остается по своей природе гидростатическим. Размеры областей питания и разгрузки являются относительно области напора незначительными, хотя первые и располагаются часто в горной (внешней) части бассейна, а также в междуречных пространствах, локальных возвышенностях, мелких хребтах, гривах и т.д. Область распространения напора (стока) находится внутри основной площади артезианского бассейна. В ее пределах водоносным горизонтам (комплексам) свойственны напорные уровни, которые принято именовать пьезометрическими. Расстояние по вертикали от кровли водоносного горизонта до пьезометрического комплекса называется напором подземных вод. Напор характеризует запас потенциальной энергии воды. Область разгрузки артезианских вод располагается на более низких абсолютных отметках по сравнению с областью питания. Область разгрузки представляет собой, как правило, совокупность открытых и скрытых очагов (разгрузка в рыхлые четвертичные отложения, русла рек, на дне морей). В зависимости от гипсометрического положения областей питания и разгрузки, а также их местонахождения в пределах артезианского бассейна интенсивность подземного стока бывает самой разнообразной. Очень часто встречаются артезианские бассейны с замедленным водообменом в погруженных частях, когда области питания имеют примерно одинаковое высотное положение, а видимые области разгрузки отсутствуют. Иногда разгрузка подземных вод происходит по тектонически ослабленным зонам, а также через слабопроницаемые или водоупорные (при значительной разности напоров) породы кровли на всей площади их распространения. Артезианские бассейны элизионного типа формируются на участках прогибания земной коры и заполнения их осадочным материалом в процессе геологического круговорота. Изначально такие бассейны заняты солеными морскими водами, которые погружаются (захороняются) в недра земли вместе с горными породами. В этом случае напор и движение вод возникают не за счет превышения области питания над областью разгрузки, а под влиянием нарастающего веса вышележащих пород и дополнительно тектонических напряжений. В этих условиях происходит отжим связанных глинами вод и перенос их в водоносные горизонты, регулярное перераспределение напоров, возникновение аномально высоких пластовых давлений. Бассейн не получает воду из внешних или внутренних областей питания. Источником ее служат водовмещающие горные породы, которые при уплотнении и уменьшении пористости выдавливают воду, ранее захваченную из морского бассейна. Интенсивность такого элизионного отжатия воды с глубиной затухает, но в тех или иных размерах продолжается на всех этапах захоронения горных пород. Эти процессы протекают в течение десятков и даже сотен миллионов лет. Наряду с физически связанными глины отдают и химически связанные воды, так как в бассейне происходит глубокая трансформация минерального вещества на всех стадиях литогенеза. Из сказанного вытекает важный вывод о том, что артезианские бассейны элизионного типа отличаются наряду с другими признаками наличием принципиально иной, отличной от уже упоминавшихся выше внешней и внутренней областью питания. Эту область мы предлагаем называть внутрипластовой. Последняя, следовательно, представляет собой систему пластов горных пород, отдающих различные виды воды, изначально захваченной в бассейне седиментации, в процессе их уплотнения под действием массы вышележащих пород или возникающих тектонических напряжений. Отжатие воды из пород происходит на всех стадиях литогенеза (диагенеза, катагенеза и даже метагенеза). Внутрипластовая область питания располагается в самом артезианском бассейне, в его внутренней (захороненной) части и почти полностью может совпадать с областью распространения напора и соответственно стока. Более того, внутрипластовая область питания гипсометрически располагается ниже области разгрузки, т.е. картина оказывается как раз обратной той, которая обязательна "для классического артезианского бассейна. При этом чем более мощными являются слои водоупорных пород (глин), тем больше при прочих равных условиях отжимается воды и соответственно выше напор. Особенно велик напор в центральной, наиболее погруженной части бассейна, которая испытывает наибольшее прогибание и аккумулирует больше осадочных пород. Водоносные горизонты не получают никакого количества дополнительной воды, кроме той, которая отжимается из горных пород. Отсюда гидродинамика бассейна определяется только элизионным типом режима. Артезианские бассейны инфильтрационно-элизионного типа. Сразу после отступления моря в водоносные горизонты, заполненные морской водой, устремляются инфильтрационные воды, т.е. начинается процесс вытеснения или замещения седиментационных вод инфильтрационными — один из важнейших гидрогеологических процессов, широко развитый в артезианских бассейнах. Процесс замещения начинается с самых верхних горизонтов и областей их питания. Постепенно этот процесс захватывает все более и более глубокие горизонты и новые площади. В конце концов за геологически достаточное время все седиментационные воды из бассейна могут быть вытеснены инфильтрационными. Соответственно артезианский бассейн перейдет из типа элизнонного, который он представлял изначально, в инфильтрационный. Большая часть современных артезианских бассейнов на платформах и некоторая часть в горно-складчатых областях находятся на той или иной стадии вытеснения соленых вод пресными. Поэтому они относятся к инфильтрационно-элизионному типу. Использованные литературы 1) https://works.doklad.ru/view/gSYP4N4aHm8.html 2) http://kursak.net/klassifikaciya-podzemnyx-vod/2/ 3) https://kingswater.ru/aboutwater/vidy-vody-v-gornyh-porodah/ 4) https://helpiks.org/3-2273.html 5) https://works.doklad.ru/view/gSYP4N4aHm8/all.html |