Источники

Среди явлений, связанных с деятельностью подземных вод, наибольшего внимания заслуживают источники. В аридных районах в древности человек селился главным образом вблизи источников. Многочисленные упоминания о них содержатся в религиях разных народов. Медицина прошлого часто предписывала лечение водами минеральных и термальных источников. Многие до сих пор считают, что вода источников обладает волшебной силой. Современная реклама пользуется этим обстоятельством, особенно для продажи напитков. Считается, что вода источников исключительно чистая, хотя это и не подтверждено фактами. Минерализация вод источни-

ков может превышать минерализацию водопроводной воды в два-три раза. Вода источников обычно легче загрязняется по сравнению с водой, поступающей из водозаборных скважин или коммунальной системы водоснабжения.

Таблица 2.2 Классификация источников по дебиту, Мейнцер

Источники классифицируют: по величине дебита (табл. 2.2), приуроченности к определенному типу водоносного горизонта, химическому составу и температуре воды, направлению движения воды, связи с рельефом и геологическими условиями местности и т. д. Можно насчитать несколько тысяч типов различных их характеристик.

Ниже сделана попытка дать основные принципы классификации источников и описать несколько их характерных типов.

Любой естественный выход воды на земную поверхность в виде небольшого потока называется источником. Разгрузка подземных вод с меньшим расходом называется высачиванием. Источники разгружаются непосредственно в океаны, моря, озера и реки ниже уреза воды. Подводные источники обычно трудно обнаружить, если их дебит не превышает несколько кубических футов в секунду.

Дебит источника зависит от трех основных переменных: проницаемости пород водоносного горизонта, площади области его питания и размера питания. Благодаря высокой водопроницаемости пород большие объемы воды концентрируются на небольшой площади. Многие водоносные горизонты, разгружающиеся через источники, имеют значительную суммарную производительность, но если их водопроводимость низка, выклинивание возможно на большой площади. Например, общий дебит источников, расположенных по берегам рек большой речной системы, может составить несколько сотен кубических футов в секунду, при этом дебит самого большого источника будет не более 1 галл/мин.

Область питания источника может занимать площадь от менее тысячи квадратных футов во влажных районах до более пяти тысяч квадратных миль в аридных. На рис. 2.21 показана зависимость между площадью водосбора и дебитом источников.

В некоторых районах с большим количеством осадков и сильно проницаемой поверхностью величина инфильтрации достигает 10 футов в год. В аридной зоне и при наличии водонепроницаемых пород размер питания подземных вод может составить 0,1 дюйма в год.

На Земле насчитывается лишь несколько сотен источников с дебитом более 100 куб. фут/сек. Это объясняется довольно редким сочетанием условий, необходимых для существования крупного источника: большое количество инфильтрующейся воды осадков, большая площадь дренирования и благоприятные геологические условия. Некоторые крупные источники питаются водой рек или озер, которая просачивается в водоносный горизонт.

Такая вода обычно проходит небольшое расстояние до места разгрузки. К источникам такого типа относится источник бассейна реки Рио-Мауле в центральной части Чили. Этот источник первого класса с дебитом до 1000 куб. фут/сек выходит на поверхность из-под лавового потока, запрудившего озеро. Недавно в результате сооружения плотины уровень воды в озере поднялся и дебит источника увеличился.

На рис. 2.21 показано, что довольно крупные источники могут иметь небольшие площади водосбора. Источник при умеренном размере инфильтрации, составляющей лишь 2 см/год, и площади питания менее 0,01 км2 удовлетворяет бытовым потребностям в воде целой семьи. Источники могут располагаться даже на вершинах гор, обычно ниже гребня хребтов, и иметь водосборную площадь в несколько десятков или сотен акров (рис. 2.21). Когда на вершине горы выпадает большое количество осадков, расположенный там источник может дать дебит в несколько литров в минуту с площади менее десяти акров.

Рис. 2.21. Зависимость между площадью водосбора и дебитом источников при различных годовых величинах питания подземных вод.

Дебит многих источников сильно зависит от сезонных колебаний осадков. Большинство источников VIII класса действуют после выпадения осадков непродолжительное время.

Дебит источников, дренирующих водоносные горизонты большой емкости, изменяется незначительно. Изменчивость дебита источника определяется следующей формулой:

(2.10)

где Va — изменчивость дебита источника в процентах; Qмакс — максимальный, Qмин — минимальный, Qср — средний дебит. При вычислении изменчивости дебита необходимо указывать длительность наблюдений. Например, в период с июня 1957 по сентябрь 1960 г. источник имел 30%-ную изменчивость. Указать период наблюдений необходимо, иначе не ясно, для какого периода получена эта величина — двух недель или пяти лет.

Суточные колебания дебита небольших источников обычно объясняются потреблением воды растительностью. Такие источники обильны между полуночью и рассветом, днем же могут даже не действовать. Зимой, когда транспирация полностью прекращается, малые источники имеют постоянный дебит (если они полностью не промерзают.).

Почти все источники I класса выходят из лав, известняков, галечников и гравелитов. Большинство из них также связано с крупной кавернозностыо, но некоторые имеют незначительный начальный дебит. Водоносные горизонты, сложенные песчаниками, конгломератами, песками, обычно характеризуются недостаточной водопроницаемостью, чтобы в них могли возникнуть источники I или даже II классов.

Небольшие источники можно найти в породах всех типов. В столь различных породах, как лёсс, доломит, граувакка, гипс или серпентинит, встречаются источники VII и VIII классов. Даже в твердых кристаллических породах небольшие источники приурочены к зонам разломов и трещиноватости. Источники образуются и в сланцеватых породах вдоль трещин и в мелках линзах алевритов или песка.

Если бы горные породы были совершенно однородными, подземные воды разгружались бы на поверхность земли путем рассеянного высачивания на сравнительно больших площадях. Источники обычно образуются в следующих условиях. Там, где имеются благоприятные условия рельефа, свободная поверхность подземных вод пересекает поверхность земли и начинается поверхностный сток (рис. 2.22, а). Этот тип высачивания известен в областях распространения песчаных дюн, лёссовых отложений и на площадях, сложенных монолитными песчаниками или однородными породами и рыхлыми отложениями.

Изменчивость водопроницаемости пород по горизонтали и вертикали чаще всего служит причиной возникновения источников. Небольшие действующие посезонно источники обычно связаны с изменениями водопроницаемости коры выветривания. Источники могут образовываться в делювиальных отложениях и осыпях (рис. 2.22, б). Различная водопроницаемость пород по вертикали, связанная с горизонтальным напластованием осадочных пород, служит причиной возникновения крупных, более постоянных источников (рис. 2.22, в).

Структурные особенности горных пород, обусловленные орогениче-скими движениями, значительно влияют на проницаемость пород, а следовательно, и на образование источников. Зоны наибольшей водопроницаемости формируются вдоль разрывных смещений (разломов или сбросов), пересекающих твердые и ломкие породы. Если разрыв сечет несцементированные породы, зона разрыва обычно характеризуется меньшей водопроницаемостью, чем окружающие породы. Образование источников в этих условиях показано на рис. 2.22, г и д. Трещиноватость горных пород обычно служит причиной появления небольших источников. Образование источника в условиях вторичного расслаивания массивных гранитов представлено на рис. 2.22, е.

Орогенические движения вызывают наклон слоев и складкообразование, в результате которых проницаемые или непроницаемые слои оказываются у поверхности. На рис. 2.22, ж и г показано образование источников двух типов, связанных со складками.

Большинство известных крупнейших источников вытекает из вулканических пород или гравелисто-галечниковых отложений (рис. 2.22, и). Дайки, пластовые интрузии, отложения туфа и погребенные почвы обычно определяют размещение источников в вулканических породах.

Источники особого типа образуются в результате разгрузки талых ледниковых вод через полости и каналы внутри ледника. Некоторые из крупнейших источников на земном шаре, возможно, относятся к этому типу, но данных о дебитах таких источников почти нет. Обычно источники в ледниках не относят к источникам, но если лед ледников рассматривать как горную породу, то нет оснований исключать их из общей геологической классификации источников.

Рис. 2.22. Выходы источников: а — в понижениях, при пересечении поверхности земли свободной поверхностью подземных вод; б — в результате инфильтрации атмосферных осадков в грубообломочные делювиальные отложения; в — водопроницаемые песчаники подстилаются непроницаемыми глинистыми сланцами; г — разрыв, приведший водонепроницаемые слои в контакт с проницаемыми аллювиальными отложениями; д — открытая зона трещиноватости в хрупких породах, вызванная разрывным смещением пород; е — плитчатая структура гранитов; ж — выход на поверхность артезианского водоносного горизонта; з — преобладающая трещиноватость пород в одном направлении, и — обнажение водопроницаемых гравелитов и базальтов, подстилаемых непроницаемыми гранитами.