Классификация подземных вод по происхождению и по условиям залегания в земной коре

Подземные воды встречаются в природе в столь разно­образных условиях и обладают столь различными свой­ствами, что уже давно назрела потребность в их классифи­кации. Однако единой рациональной классификации до сих пор не выработано. Разработка подобной классификации затруднена тем, что подземные воды представляют слож­ный объект, динамичный по своей природе, меняющийся количественно и качественно во времени и пространстве. Кроме того, гидрогеологическая терминология на настоящее время еще недостаточно разработана и приведена в систему. Нередко одному какому-нибудь термину придается различ­ное значение. Так, например, под жильными водами одни исследователи понимают воды, находящиеся и передвигаю­щиеся в трещинах горных пород, независимо от проис­хождения этих трещин; в других случаях под жильными водами подразумевают только подземные воды в тектони­ческих трещинах. Точно так же иногда различным терми­нам придается одно и то же смысловое значение, например, под минерализацией и концентрацией воды подразумевают количество солей, растворенных в единице ее объема.

Ниже для примера приводится несколько классифика­ций подземных вод, в основу которых положены различные принципиальные установки.

Академик В. И. Вернадский предложил клас­сификацию подземных вод, исходя из их химизма. Он ука­зал, что в природе нет химически чистой воды; всегда вода в той или иной степени минерализована солями и газами. Природную воду следует рассматривать как сложный мине­рал, отличающийся большой подвижностью. В. И. Вернад­ский полагал, что все природные воды, где бы они ни находились, теснейшим образом связаны между собой и представляют единое целое.

По принадлежности подземных вод к той или другой земной сфере В. И. Вернадский различал:

1. воды атмосфе­ры;
2. воды биосферы;
3. воды стратосферы (осадочной толщи земной коры);
4. воды пояса метаморфизма горных пород;
5. воды магмосферы.

Природная вода чрезвычайно легко переходит под влиянием термодинамических условий земной коры из одного физического состояния в другое (вода парообразная, жидкая, твердая). Невозможно пред­ставить себе воду, которая не содержала бы какие-либо растворенные газы, а так как состав земной коры и ее тер­мальные или термодинамические условия меняются на про­тяжении от основания коры до земной поверхности, то и химический характер природных вод должен законо­мерным образом меняться в вертикальном разрезе земной коры. Кроме того, существует теснейшая связь природных вод со всеми организмами. Принимая во внимание различ­ные комбинации изученных минеральных растворов вод, В.  И. Вернадский полагал, что уже в настоящее время можно наметить более 485 отдельных минералов природной воды, которые можно охарактеризовать так же точно, как кварц или какие-либо другие твердые минералы. Несомнен­но, что по мере дальнейшего изучения число разновидностей природной воды значительно увеличится. Все эти разно­видности вод, как уже изученные, так и возможные, можно сгруппировать в системы. В. И. Вернадский наметил 9 систем. Среди них наблюдаются такие, как растворы газов в воде, растворы химических соединений, коллоидные растворы, механические мути, бактериальные мути, воды, переполненные более крупными живыми организмами и т. д. При дальнейшем изучении, конечно, наметится и дробление указанных выше систем.

Одним из руководящих классификационных признаков является наличие в воде газовых компонентов. По ним В. И. Вернадским намечены первые основные группы вод (воды кислородные, сероводородные, углекислые и т. д.). В условиях земной коры подземные воды встречаются либо в состоянии напорном, либо в состоянии безнапорном (под последними В. И. Вернадский подразумевал грунтовые воды). С точки зрения чисто минералогической подземные воды можно разбить, по В. И. Вернадскому, на следую­щие группы: пресные с содержанием растворенных веществ до 1 г/л, солоноватые от 1 до 10 г/л, соленые с содержанием солей от 10 до 50 г/л и рассолы с содержанием солей от 50 до 400 г/л. Учитывая наряду с приведенными выше характерными особенностями природных подземных вод также факторы физико-географические и геологические, получим довольно цельную и простую общую гидрохими­ческую классификацию природных подземных вод. В каж­дой группе на основании газового состава мы получим классы. В каждом газовом классе при учете минерального состава мы будем иметь виды и разновидности природной подземной воды и т. д.

Геолог Б. Л. Личков в некоторой степени примы­кает к воззрениям Вернадского, но исходным моментом для своих суждений берет строение земной коры и приуро­чивает природные подземные воды к определенным гео­сферам или геозонам, т. е. к оболочкам или поясам земной коры. Таких оболочек он различает три: у самой поверхно­сти земли оболочка выветривания, далее оболочка мета­морфическая, распадающаяся на два отдела: верхний — зона цементации и нижний — отдел глубинного метамор­физма и, наконец, третья оболочка — магматическая. Обо­лочке выветривания свойственны вадозные воды, которые подразделяются на почвенные и подпочвенные (и те и другие напора не имеют), и артезианские (воды, находящиеся под гидростатическим напором); последние подразделяются на пластовые воды и подземные водотоки. Оболочке мета­морфической свойственны фреатические воды, а оболочке магматической — ювенильные-, эти воды имеют напор, обу­словленный глубинным давлением. Вадозные воды, по мне­нию Б. Л. Личкова, пресные, а фреатические и ювениль­ные — минеральные. Он придает особо важное значение выделению подзем­ных вод, располагающихся в земной коре, выше или ниже основного базиса эрозии данной местности, и суммирует свойства подземных вод выше и ниже базиса эрозии следую­щим сопоставлением:

Воды выше базиса эрозии (верховодка и грунтовые воды):

1. Легкое взаимодействие с поверхностью земли.
2. Аэрация.
3. Значительная скорость движения вод.
4. Отсутствие напора, как правило.
5. Тесная связь залегания вод с рельефом.
6. Тесная зависимость вод от термических условий поверхности земли и их колебаний.

Воды ниже базиса эрозии (нижняя часть грунтовых и напорные):

1. Затрудненность взаимодействия вод с земной поверхностью.
2. Отсутствие аэрации.
3. Неподвижность вод или малые их скорости, особенно в зам­кнутых бассейнах.
4. Наличие напора.
5. Связь залегания вод с тектоникой и связь с рельефом через тектонику.
6. Независимость вод от температуры поверхности земли и ее колебаний.

Следует заметить, что базис эрозии в качестве раздели­тельной черты берется не как точный уровень, а как при­вязанная к этому уровню более сложная сфера (поверх­ность) влияния. Что касается вопроса о применении гео­термических признаков, то здесь мы встречаем довольно много затруднений. В самом деле, классификация, которую выдвинул Б. Л. Личков, учитывает, что воды должны рас­сматриваться как один из компонентов оболочки земной коры, находящейся в определенных температурных усло­виях и условиях давления. Поэтому подземные воды явля­ются частью термодинамической оболочки земли, и вне этого термодинамического поля земной коры представлять подземную воду себе нельзя.

Разделение подземных вод соответственно геотермиче­ским зонам на воды вадозные, фреатические и ювенильные (причем фреатические воды приурочиваются к поясу мета­морфизма) сомнительно. Правда, Б. Л. Личков оговаривает­ся, что он использует именно этот термин потому, что лучшего пока он придумать не мог. Тем не менее нельзя признать возможным использование этого термина в том смысле, какой ему придает Б. Л. Личков. Термин «фреатический» введен в гидрогеологию довольно давно и имеет широкое распространение. Фреатическими, или колодезны­ми, водами называются те подземные воды, которые залега­ют близ земной поверхности и используются колодцами. Противопоставлять вадозные воды фреатическим нельзя, потому что фреатические представляют собой часть вадоз- ных вод. Геохимики называют фреатическими те минералы, которые в процессе гидратации образуются в поясе выветри­вания. Называть воды фреатическими только потому, что они выделяются из фреатических минералов в зоне ана­морфизма, как будто нет оснований.

Б. Л. Личков называет вадозные воды пояса выветрива­ния пресными в отличие от «минеральных» вод метаморфи­ческого и магматического поясов. Среди вадозных вод грунтовых (хотя бы воды аридных зон) и артезианских (хотя бы наши пермские воды) очень много вод «минераль­ных» с концентрацией солей свыше 200 г/л.

Все воды пояса выветривания характеризуются как холодные. Между тем несомненно, что целый ряд терм и гейзеров следует связать по их происхождению именно с этим поясом: вода вадозпа, а тепло — ювенильно.

Геолог В. С. Ильин предлагает разделить водо­носные горизонты подземных вод на грунтовые, находящие­ся в зоне поверхностного дренажа оврагами и реками, и артезианские, залегающие ниже уровня дренажа. Грун­товые воды разделяются им на зональные и азональные. Под именем зональных грунтовых вод подразумеваются такие воды, которые связываются с зональными климати­ческими и физико-географическими факторами. Азональны­ми водами называются такие грунтовые воды, которые с климатическими зонами не так тесно увязаны, например, болота тундр и болота Прикаспийской полупустыни — волжские плавни. Артезианские воды распадаются на бас­сейны, выделяемые на основании литологических и геоструктурных признаков.

В отношении разделения водоносных горизонтов особня­ком стоит классификация американских исследователей, которые выделяют две основные толщи или зоны земной коры: зону аэрации и зону насыщения. Под зоной аэрации подразумевается поверхностная толща земной коры, в кото­рой подземные воды бывают спорадически и в которой происходят энергично процессы окисления благодаря наличию в пустотах породы воздуха. Под зоной насыщения подразумевается та часть земной коры, которая лежит ниже зеркала грунтовых вод. В верхних частях земной коры (по-видимому, в зоне поверхностного дренажа, как его понимает В. С. Ильин) возможно многократное чередо­вание зон аэрации и зон насыщения водой. Таким образом, по мнению этих авторов, приходится иметь дело только с двумя группами вод: с водами, которые представляют собой сумму вод грунтовых и межпластовых, что, конечно, нерационально.

Во французской гидрогеологической литературе рас­пространено разделение подземных вод на две группы: а) подземные воды со свободной скатерыо (avec nappe libre) и на подземные воды с прижатой скатерью (avec nappe presse); под первыми водами подразумеваются во­ды грунтовые, а под вторыми — воды напорные, арте­зианские.

Из этого краткого хотя и неполного изложения отдель­ных построений можно видеть, насколько различны те основные классификационные моменты, которые прини­маются как исходные отдельными авторами и которые касаются характеристик то самой воды, то условий ее зале­ганий в земной коре и ее динамики.

Невозможно увязать в одну систему такие различные по принципиальным установкам классификации, как клас­сификации В. С. Ильина, В. И. Вернадского и Б. Л. Личкова. В данной работе автор подходит к подземным водам с геодинамической точки зрения и кладет в основу своих классификационных представлений тот главный признак, благодаря которому учение о жидкой фазе подземных вод выделяется в особую науку, а именно — динамичность подземных вод, проявляющуюся по-разному в различных условиях залегания их в земной коре.

Можно наметить три основные группы подземных вод:

1. воды почвенные;
2. воды грунтовые;
3. воды межпластовые.

Классификационная схема подземных вадозных вод О. К. Ланге

По гид­равличе­ским при­знакам	По усло­виям за­легания	По динамике	По ре­гионам	По химиз­му	По темпера­туре	Обла­сти пи­тания и распространения
Подве­шенные	Почвенвенные	Сезонные, постоянные (болота)	—	Пре­сные, мине­раль­ные, рас­солы	Холодные Колебания суточные	Совпадают
Нисхо­дящие	Грунтовые	Жильные— флюационные — кар­стовые Фильтра­ционные	Азо­нальные Азо­нальные Зональ­ные		Холодные Колебания сезонные, реже годо­вые	Сов­пада­ют
	Межпластовые	Фильтра­ционные Жильные- флюационные-кар­стовые	Бассей­ны спо­радиче­ские и струк­турные		Холодные, реже теп­лые, коле­бания го­довые	Несов­падают
Восхо­дящие	Межпластовые	Жильные флюационные Фильтра­ционные			Холодные Термы, гейзеры, колебания вековые	Несовпадают

Почвенные воды залегают у дневной поверхности земли. Обычно они представляют явление сезонное, и область их распространения вполне совпадает с областью их пита­ния. Питаются они за счет атмосферных осадков и атмосфер­ной влаги, которая может в почве сгущаться; ниже грунт остается воздушно-сухим. Под влиянием солнечного нагре­вания и транспирации растений вода, напитавшая поверх­ностный слой грунта, испаряется, и через некоторое время поверхность земли будет совершенно сухой (воздушно­сухой). Таким образом, в данном примере вода напитывает поверхность земли только на очень небольшую глубину. Такая вода с гидродинамической точки зрения носит назва­ние воды подвешенной. Она может передвигаться вглубь только в том случае, если выпадут осадки и нарушат равно­весие подвешенных почвенных вод.

Грунтовыми называют такие воды, которые покоятся на первом от поверхности водоупорном слое. Эти воды могут представлять неподвижный подземный водоем, если их водоупорное ложе залегает чашеобразно (в виде котло­вины); поверхность или зеркало грунтовых вод в таком случае лежит горизонтально. От поверхности грунтовых вод вверх поднимается по капиллярам вода, так что если рыть колодец, то прежде чем встретить поверхность грун­товых вод, приходится прокопать толщу, увлажненную благодаря капиллярному подъему влаги вверх от зеркала грунтовых вод. Таким образом, над зеркалом воды наблю­дается капиллярная оторочка или кайма (ворс), которая вниз постепенно переходит в грунтовые воды. Если зеркало грунтовых" вод обладает уклоном, то в сторону уклона стекает и грунтовая вода. Движение грунтовых вод подчи­нено силе тяжести и направлено оно из мест повышен­ных в места пониженные; это потоки нисходящие. Область питания грунтовых вод в некоторых случаях совпадает с областью их распространения. Однако потоки грунтовой воды могут питаться и где-нибудь в стороне от места наблю­дения. Так, например, грунтовая вода, текущая подземным путем из предгорья в равнину, обычно питается главным образом в области предгорья, где и осадков больше и где поверхность земли сложена из более проницаемых для воды пород.

Подземные воды могут перекрываться с поверхности водоупорными пластами или водоупорной кровлей, которая изолирует их от выпадающих в этом месте осадков. Воды здесь имеют только боковое питание. Подземные воды в этом случае переходят в воды межпластовые, так как водонос­ная толща зажата между двумя пластами водоупорных пород, из которых один пласт — водоупорное ложе, а дру­гой — водоупорная кровля. Вниз по падению водоносная толща может быть где-нибудь вскрыта на берегу моря, в речной долине или в овраге, и тогда поток межпластовой, нисходящей воды выступает в виде родников или источников (естественный дренаж), иногда ниже уровня воды в реке, озере или море. Если рыть колодец до меж- пластовой воды, то сперва надо прокопать безводную водо­упорную толщу и затем уже добыть воду из нижележаще­го водопроницаемого водоносного слоя.

В некоторых случаях межпластовые потоки не имеют выхода и тогда вода накапливается в водоносном слое, как в мешке, заполняя все пространство между водоупор­ной кровлей и водоупорным ложем. При достаточном при­токе подземный поток может не только заполнить все межпластовое пространство, но и выступить на поверхность земли в область питания, откуда этот подземный поток берет свое начало; зажатая между двумя водоупорными пластами вода находится под гидростатическим давлением. Если прорезать водоупорную кровлю колодцем, то вода заполнит колодец, а в некоторых случаях даже может выбиваться фонтаном на поверхность земли. Такая меж- пластовая вода, находящаяся под напором и поднимающая­ся в колодце выше того места, на котором она была встрече­на при рытье колодца, носит название воды восходящей, или напорной, или артезианской. Артезианская вода пред­ставляет как бы частный случай воды межпластовой и отличается тем, что она является водой, восходящей в колодце.

Таким образом, с гидродинамической точки зрения подземные воды можно разделить на три группы: воды подвешенные, воды нисходящие и воды восходящие. Под­вешенные воды характерны для почвенных, нисходящие — для грунтовых и отчасти для межпластовых водоносных горизонтов со свободным стоком, а восходящие — для межпластовых водоносных горизонтов, где вода не имеет выхода из водоносного пласта, где ее поверхность не свобод­на, а придавлена водоупорной кровлей.

По способу продвижения в породу следует различать воды фильтрационные, медленно просачивающиеся через зернистые горные породы, следуя закономерностям Дарси, и воды жильные, или флюационные, передвигающиеся в тре­щинах и крупных пустотах горных пород, подобно поверх­ностным потокам, следуя закономерностям Шези. Таким образом, по способу образования подземные воды распада­ются, имея в виду воду-растворитель, а не соли в растворе на следующие группы.

1. Инфильтрационные, под которыми подразумевают воды, просочившиеся (как в искусственых фильтрах) сквозь зернистые породы.
2. Инфлюационные, втекающие в недра земли по более пли менее крупным трещинам и пустотам, не отфильтровы­вая на своем пути несомых или взвешенных частиц.
3. Конденсационные, образующиеся из парообразной влаги воздуха, заключающегося в подземных порах, трещи­нах и других пустотах.
4. Ювенильные, к которым относятся подземные воды, связанные с поднимающимися из недр земли (из магмати­ческой и метаморфической зон) парами, а может быть и с диссоциированными газами. Если речь идет о выделении из магмы диссоциированных газов водорода и кислорода, которые в дальнейшем соединяются в воду, мы говорим об ювенильных синтетических водах, если речь идет о парах воды, выделяемых магмой, мы говорим о конден­сационных ювенильных водах, и, наконец, если речь идет о водах, выделяющихся именно в зоне анаморфизма из минеральных масс, содержащих кристаллизационную или конституционную воду, мы говорим о водах дегидратационных ювенильных.

Выделяют еще группу сингенетичных (коннэтных) под­земных вод, под которыми подразумевают воды, сохранив­шиеся в горных породах еще со времени образования этих пород в древние периоды. Сингенетичные воды могут быть либо морского происхождения, если они представляют остаточные, но претерпевшие диагенез воды того бассейна, в котором отлагались соответствующие осадки, составляю­щие теперь элемент суши, или же они могут быть континен­тального происхождения, если они сохранились в породе, образовавшейся на материке. Таким образом, сингенетичные воды в отличие от других вод имеют одновременное про­исхождение с содержащими их слоями. Однако возмож­ность существования сингенетичных вод противоречит представлениям о высокой динамичности воды в породе.

Остальные воды представляют образования более позд­него времени (даже современные или близкие к современ­ным) и только мигрируют в породах различного возраста. Так, например, современные осадки в Центральных черно­земных областях могут впитываться в породу и девонского периода, и каменноугольного, и юрского и т. д. Некото­рые русские авторы переводят термин «сингенетичные», т. е. «одновременно рожденные», как «ископаемые воды». Это неправильно. «Ископаемыми водами» М. Добре назы­вал еще в 80-х годах XIX в. жильные образования (часто гидротермального происхождения), представляющие химические осадки воды минувших эпох. Так, например, кварцевая жила, прорезающая известняк, представляет ископаемые остатки некогда продвигавшегося в трещине этого известняка потока, насыщенного кремнекислотой и выделившего эту кремнекислоту в трещину. Точно так же «рудные месторождения», образовавшиеся в результате вы­деления минеральных масс из водных растворов, представляют по существу «скелет» протекавшей здесь воды и либо испарившейся, либо продвинувшейся далее, по уже с изме­ненной минерализацией.

«Ископаемой водой» будет и вода, заключенная в древ­ней породе, но сформировавшаяся в более позднюю эпоху. Например, вода неогенового времени в породе юрской, девонской и т. д. Применяемый некоторыми авторами термин «погребенная вода» взамен термина «сингенетичная вода» лишен смысла, так как всякая вода, находящаяся под землей, является «погребенной» независимо от того, как и когда она образовалась (например, вода в современном аллювии рек).