6. Krążenie wód w skałach.pdf

Rozdział VI

KRĄŻENIE WÓD W SKAŁACH

Woda gruntowa. Woda znajduje się w skałach, wypełniając próżnie

w nich obecne, jak pory i szczeliny. Występuje ona zarówno w skałach

litych, jak luźnych. Nazywa się ją wodą gruntową, w przeciwieństwie

do wód powierzchniowych występujących w rzekach, jeziorach itd.

Wody gruntowe pochodzą głównie z opadów, które wsiąkają w pod

łoże. Tylko w niektórych wypadkach wody gruntowe mogą być pocho

dzenia magmowego, tzn. pochodzą z roztworów wydobywających się

z głębi ziemi. Wody takiego pochodzenia noszą nazwę wód j u w e n i 1-

n y c h; przeciwstawia im się wody pochodzenia atmosferycznego jako

wody meteoryczne albo inaczej wadyczne (łac. vados — błą

dzący).

Opad atmosferyczny na powierzchni ziemi rozchodzi się w czworaki

sposób:

1) ulega wyparowaniu i wraca ponownie do atmosfery;

2) spływa do rzek, jezior i mórz;

3) wsiąka w podłoże,

4) zostaje zaadsorbowany przez roślinność.

Warunki klimatyczne, ilość opadu, morfologia, szata roślinna i skład

gruntu, na który deszcz lub śnieg pada, decydują o proporcjach tych

czterech części. W Polsce (średni opad roczny 60 cm) około 10% opadu

wsiąka w podłoże, około 15% spływa do rzek, a reszta ulega wyparo

waniu lub pochłonięciu przez szatę roślinną.

Wody gruntowe są zasilane nie tylko wodami pochodzącymi wprost

z opadów. W niektórych wypadkach rzeki, przepływające przez poro

wate lecz nie nasycone wodą utwory, tracą wodę, która wsiąka w pod

łoże.

Część wody gruntowej wsiąkającej w podłoże może w tym podłożu

pozostać, tworząc zbiorniki wody gruntowej. Wody grun

towe wskutek jakiejkolwiek różnicy poziomu są w ruchu. Zazwyczaj

woda gruntowa po przebyciu pewnej drogi dostaje się na powierzchnię

ziemi w postaci źródeł i zasila wody powierzchniowe albo też wprost

wpływa do rzeki, część zaś jej zostaje zatrzymana w podłożu, czyli

ulega retencji. Rozdzielanie się opadów na powierzchni ziemi i rozdzie

lanie się wody gruntowej można przedstawić następującym schematem:

350

Ogólnie rozdzielanie się opadu można przedstawić równaniem:

opad = odpływ + parowanie + retencja

Ilość wody przypadającej na odpływ, parowanie i wsiąkanie zależy

od topografii, klimatu, roślinności i podłoża. W górach większa część

opadu odpływa powierzchniowo, gęsta roślinność, wstrzymując odpływ

ułatwia wsiąkanie, wysoka temperatura zwiększa parowanie itd.

Warstwy wodonośne. Woda wsiąkająca w grunt może się nagroma

dzić w warstwie geologicznej tylko wtedy, gdy warstwa ta jest dosta

tecznie porowata. Jeśli woda z takiej warstwy może wypływać, np. za

pośrednictwem źródła lub studni, mówimy o warstwie wodonośnej. Aby

mogło nastąpić nagromadzenie się i ruch wody w warstwie, musi być

warstwa porowata i przepuszczalna. Istnieją warstwy, które mogą za-

adsorbować duże ilości wody, ale woda nie może się w nich poruszać.

Są to skały porowate, ale nieprzepuszczalne. Wreszcie są skały, które

w ogóle nie pochłaniają wody. Są one nieporowate i nieprzepuszczalne.

Do pierwszej grupy skał, które są porowate i przepuszczalne, należą,

piaski, piaskowce, żwiry, zlepieńce, oolity, wapienie porowate itd. Do-

drugiej kategorii porowatych, ale nieprzepuszczalnych należą: iły, muły,

gliny, łupki, margle. Do trzeciej grupy skał nieporowatych i nieprze

puszczalnych należą: kwarcyty, zbite wapienie, granity itd.

Strefa saturacji. Woda wsiąkająca w podłoże pod działaniem siły

ciężkości dąży w dół tak głęboko, jak na to pozwala obecność porów

i szczelin w skałach. Na pewnej głębokości skały są tak sprasowane

pod ciśnieniem nadległych warstw, że szczeliny i spękania zostały wy

eliminowane, a porowatość wydatnie zmniejszona. Głębokość ta okre

ślana od 2 000 do 3 500 m jest dolną granicą możliwego zasięgu wód

gruntowych. Powyżej tej granicy skały, jeżeli są przepuszczalne, są

nasycone wodą, tzn. pory, próżnie i szczeliny w nich występujące wy

pełnia woda. Jeśli wody jest dużo, woda gruntowa sięga do powierzchni

gruntu. Najczęściej jednak w niewielkiej głębokości od powierzchni

znajduje się górna granica zasięgu wody gruntowej, czyli zwiercia

dło wód gruntowych. Strefa między zwierciadłem a dolną gra

nicą zasięgu wody gruntowej jest strefą saturacji (albo nasy

cenia).

Jeśli skały są porowate, w strefie saturacji pory są wypełnione wodą,

a ponieważ pory takie łączą się ze sobą, możemy mówić o ciągłej stre

fie saturacji. W skałach nieporowatych, ale poprzecinanych szczeli-

351.

nami, nie ma ciągłej strefy saturacji; woda wypełnia tylko szczeliny

sięgając w nich, jeśli się ze sobą komunikują, do tego samego poziomu,

na zasadzie naczyń połączonych.

Zwierciadło wód gruntowych w pobliżu morza leży w jego pozio

mie, skąd podnosi się w kierunku lądu. Zwierciadło wód gruntowych

jest mniej więcej równoległe do powierzchni terenu, z tym jednak za

strzeżeniem, że odstęp między nim a powierzchnią terenu jest mniejszy

pod nizinami i dolinami, a większy pod wzgórzami. Jeśli zwierciadło

wód gruntowych zbiega się z powierzchnią terenu, staje się ona wtedy

bagnista lub podmokła. W dolinach zwierciadło wód gruntowych łączy

się zazwyczaj z poziomem wód powierzchniowych (rzeką lub jeziorem).

Strefa aeracji. Ponad zwierciadłem wód gruntowych znajduje się

strefa, która nie zawiera stale wody. W czasie deszczu opady wsiąkają

w tę strefę w dół, poza tym pory i szczeliny tej strefy nie są wypełnione

wodą, lecz powietrzem. Głębokość strefy aeracji waha się od 0 (pod

bagnami) do kilku, kilkunastu lub kilkudziesięciu metrów, a w obszarach

o skąpych opadach może wynosić nawet kilkaset metrów.

W strefie aeracji wraz z opadami ma dostęp do skał tlen i inne gazy,

toteż strefa aeracji jest równocześnie strefą wietrzenia i utleniania.

Tuż pod powierzchnią gruntu skały są najsilniej zwietrzałe i zmie

nione w glebę, która zawiera zazwyczaj więcej części ilastych w porów

naniu ze skałą niezwietrzałą. Obecność części ilastych zmniejsza

przepuszczalność. Również znajdujący się w spągu warstwy glebo

wej orsztyn zmniejsza przepuszczalność, a korzenie roślin także w tej

strefie zatrzymują wodę. Opad wsiąkający w podłoże może być zatem

częściowo zatrzymany tuż pod powierzchnią, tworząc przypowierzch

niową nieregularną warstwę wody zaskórnej.

Woda kapilarna. Jeśli w naczynie napełnione wodą wstawimy dosta

tecznie wąską rurkę szklaną, woda w rurce podniesie się ponad poziom

wody w naczyniu. Podniesienie się wody w rurce nastąpiło wbrew sile

ciężkości; zostało ono spowodowane napięciem powierzchniowym wody.

Wysokość, do jakiej podniosła się woda w rurce, zależy od jej średnicy,

im mniejszy przekrój, tym wyżej podniesie się woda. Wynika to z nastę

pującego rozumowania. Woda zwykła ma napięcie powierzchniowe wy

noszące 75 dyn/cm, czyli 0,0764 G/cm. Gdy w rurce o średnicy 2r woda

podniesie się na wysokość h, tzn. że jej ciężar wynoszący π r 2 h

został zrównoważony napięciem powierzchniowym, działającym wokół

wewnętrznego obwodu rurki, czyli

πr 2 h = 2r π • 0,0764

z czego wynika, że maksymalna wysokość, do jakiej woda może się

podnieść w rurce, jest określona przez wzór

Wodę utrzymującą się w rurce ponad poziomem wody w naczyniu na

zywamy wodą kapilarną.

W skałach ponad poziomem wody gruntowej zachodzi zjawisko ana

logiczne. W porach i szczelinach dostatecznie małych woda gruntowa

może się wznosić kapilarnie w górę ponad zwierciadło wód gruntowych.

352

Dzięki temu ponad poziomem wód gruntowych znajduje się w dolnej

części strefy aeracji strefa wody kapilarnej. Strefa ta, gdy zwierciadło

wód gruntowych leży płytko, może sięgać do powierzchni. Wysokość

wzniosu wody kapilarnej zależy więc od wielkości porów.

W gruboziarnistych utworach wynosi zaledwie kilka cm, w drobnoziar

nistym piasku dochodzić może do 1 m, a w iłach do kilku, a nawet kil

kunastu metrów.

Oprócz wody kapilarnej występuje w strefie aeracji woda adhe-

z y j n a. Woda kapilarna wypełnia pory i szczeliny całkowicie. Nato

miast w strefie aeracji często występuje woda otulająca cieniutką błoną

ziarna, ale nie wypełniająca porów, w których znajduje się powietrze.

Woda ta trzymana jest adhezyjnie, tj. siłami molekularnymi. Przy wsią

kaniu wody w głąb część wody zostaje w tej postaci zatrzymana. Rów

nież ponad poziomem wody kapilarnej woda ciągnięta siłami napięcia

powierzchniowego wznosi się tylko w ten sposób, że osłania ziarna, ale

nie może już całkowicie wypełniać porów.

Woda adhezyjna znajduje się tak w strefie kapilarnej, jak i w stre

fie wody gruntowej; w strefach tych każde ziarnko skały jest otulone

błonką wilgoci, przyciąganą tak silnie przez ziarno, że przeciwdziała

to sile grawitacji. Dlatego, jeśli woda gruntowa zostanie odprowadzona

z warstwy wodonośnej przez odpływ źródłem, studnią, drenem itd. r

część wody w postaci wody adhezyjnej pozostaje w skale. Jest to tzw.

wilgoć skalna.

Temperatura wody gruntowej. Temperatura powierzchni ziemi ulega

wahaniom zależnie od pór roku. Wpływ tych zmian nie sięga głęboko

i nie zaznacza się już prawie wcale w głębokości 20 do 30 m. Na tej głę

bokości panuje jednostajna ciepłota, która w miarę posuwania się w głąb

zwolna się podnosi około 1° na każde 33 m. Ten wzrost temperatury

ma wpływ na temperaturę głęboko położonych wód gruntowych odpo

wiednio ją podnosząc. Do głębokości 250-300 m wzrost ten jest nie

znaczny, a ponieważ również zmiany temperatury powierzchni nie wy

wierają wpływu na temperaturę wody, wody gruntowe pochodzące

z niewielkich głębokości mają temperaturę stałą, mniej więcej równą

średniej rocznej temperaturze powierzchni ziemi w danej miejscowości.

Dlatego wody gruntowe i wody źródeł pochodzących z wody gruntowej

robią wrażenie chłodnych w lecie, a ciepłych w zimie.

Wody zaskórne i wody gruntowe bezpośrednio zasilane wodami po

wierzchniowymi będą okazywać temperaturę zmienną zależnie od tem

peratury na powierzchni.

Porowatość skał. Wsiąkanie wody w skały zarówno zwarte, jak luźne

zależy od porowatości i przepuszczalności.

Woda wsiąka w skały, jeśli w nich znajdują się jakiekolwiek próżnie

Próżnie te mogą być pierwotne lub wtórne.

Pierwotne próżnie są właściwością skały istniejącą od jej powstania.

Są to pory, czyli przestrzenie puste między ziarnami. Próżnie wtórne

wywołane są przez pęknięcia, płaszczyzny ciosowe, uskokowe i inne

szczeliny powstałe wskutek ruchów tektonicznych oraz próżnie i szcze

liny wytworzone przez wymywanie, rozpuszczanie, wysychanie, wie

trzenie lub rekrystalizację.

Ze względu na stosunek wymiaru próżni do sił napięcia powierzch-

23 — Geologia dynamiczna

353

niowego wody próżnie mogą być superkapilarne, kapilarne i subkapi-

larne.

Próżnia kapilarna (0,5-0,0002 mm) jest próżnią wystarcza

jąco małą, aby woda mogła utrzymać się w niej siłą napięcia powierzch

niowego. Superkapilarna próżnia jest tak duża, że woda nie

może być w niej trzymana siłami napięcia powierzchniowego. S u b-

kapilarna próżnia (< 0,0002) jest tak mała, że przyciąganie mo

lekularne jej ścian rozciąga się na całą przestrzeń próżni i woda może

być w niej trzymana adhezyjnie.

Rye. 149. Wpływ ułożenia ziarn, wysortowania i ilości spoiwa na porowatość

Porowatość skał jest wytworzona procesami pierwotnymi, a więc

sedymentacją ziarn klastycznych, krystalizowaniem z magmy, ekspan

sją gazów w lawie itd. Porowatość ta może zostać zmieniona wskutek

dalszych procesów geologicznych.

W skałach osadowych główną rolę w tym kierunku odgrywa kom-

pakcja. Wskutek przykrycia przez nadległe osady materiał osadowy

ulega zwarciu i objętość porów zmniejsza się. Świeżo złożony ił może

mieć 80 do 90% porowatości, ale, gdy zostanie przykryty dalszymi war

stwami, jego porowatość spada do 40%, a czasem tylko do kilku pro

cent. Cementacja, a więc wprowadzenie do utworu porowatego związ

ków chemicznych wypełniających pory, może również wydatnie zmniej

szyć porowatość. Wreszcie wietrzenie, chociaż zazwyczaj zwiększa po

rowatość, może przez wytworzenie substancji ilastych zatykających

pory w rezultacie zmniejszyć porowatość.

W skałach osadowych porowatość zależy od wielu czynników:

kształtu i sposobu ułożenia ziarn lub cząstek, stopnia wysortowania,

ilości cementującego materiału oraz od ilości materiału usuniętego przez

ługowanie.

Gdy ziarna są dobrze obtoczone i prawie kuliste, porowatość może

354

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: