Основные сведения из геологии
Минералы
Минералами называются все элементы и их химические соединения, встречающиеся в земной коре в форме тел, отличающихся однородностью состава, строения и свойств. Минералы можно определять по цвету, блеску, твердости, излому, запаху и т.д. Для бурения большое значение имеет твердость.
Горные породы
Минералы в земной коре, за редкими исключениями, не встречаются отдельно. Обычно они собраны в группы или агрегаты, называемые горными породами.
Горные породы по происхождению разделяются на изверженные, осадочные и метаморфические.
Бурение на воду производят преимущественно в осадочных и метаморфических породах и значительно реже в изверженных.
Осадочные породы по происхождению разделяются на обломочные, образовавшиеся из обломков других пород, химические, образовавшиеся в результате выпадения осадков из воды или из других растворов (эти породы бывают кремнистые, карбонатные и железистые), и органогенные, образовавшиеся из скопления остатков животных и растений (к ним относятся известняки, доломиты, угли и т.п.).
Валуны, галечник, щебень и другие крупные окатанные и угловатые обломки горных пород образовались в результате разрушения разнообразных изверженных и метаморфических пород и последующей обработки их ледниками и морскими водами.
Пески представляют собой продукт дальнейшего разрушения более крупных обломочных пород. Наибольшее распространение имеют кварцевые пески. По примесям других разрушенных минералов выделяют пески слюдистые, магнетитовые, железистые и др.
Глины могут образовываться в результате сноса мельчайшего ила, который реки несут в виде мути и который затем отлагается в спокойной воде. Различают, кроме того, глины, образовавшиеся в результате действия ледника, а также представляющие собой конечный продукт разрушения гранита в процессе выветривания (каолины и огнеупорные глины Украинского кристаллического массива). Химический состав глин разнообразен. Кроме каолина (кремниевых соединений глинозема), в состав глин входят мельчайшая кварцевая мука, железистые соединения, известь, доломит, иногда гипс и другие вещества.
Суглинки (песчаные глины) и супеси (глинистые пески) — это переходные горные породы от глин к пескам; по своему составу они представляют различные соотношения смеси песчаных и глинистых частиц. Наименования «суглинок» и «супесь» применяются только для пород четвертичного возраста. Для пород до четвертичного возраста, аналогичных по составу суглинку и супеси, соответственно применяются наименования «песчанистая глина» и «глинистый песок».
При оборудовании водоприемной части скважины необходимо знать размер частиц породы, в которой намечается установить фильтр, и количественное соотношение этих частиц между собой.
Классификация горных пород по буримости
Все горные породы независимо от их происхождения обладают определенной сопротивляемостью разрушению буровым инструментом. Эта сопротивляемость, называемая степенью буримости, зависит от многих факторов, например, от твердости минеральных частиц, слагающих породу, их крупности, хрупкости, от прочности цементирующего вещества, влагоемкости породы, вязкости и монолитности ее и т.д., иными словами, от состава, строения, состояния и свойств породы, а также от вида и способа бурения.
Основные сведения из гидрогеологии
Водопроницаемые и водоупорные горные породы, водоносные горизонты
Водопроницаемы и обычно также водоносны горные породы, хорошо пропускающие (фильтрующие) воду: крупнозернистые пески, гравий, галечники, щебень, валуны, сильнотрещиноватые скальные породы и т.п., т.е. породы, в которых имеется достаточное количество крупных пустот ля проникновения и передвижения воды.
Водоупорными горными породами являются плотные тяжелые глины, плотные суглинки, а также различные изверженные и метаморфические породы, если они не трещиноваты.
Если изверженные и метаморфические породы трещиноваты, то они становятся водопроницаемыми. Пласты и слои водопроницаемых и водоупорных пород обычно чередуются. Формы и виды залегания отдельных слоев горных пород и их свит весьма разнообразны. Нередко различно наклоненные или изогнутые слои водопроницаемых пород выходят на земную поверхность. Здесь воды рек и атмосферные осадки, соприкасаясь с ними, просачиваются вглубь, причем наиболее благоприятны для этого песчаные, гравийные, галечниковые слои или слои трещиноватых горных пород — известняков, сланцев, песчаников и т.п.
В верхних частях земной коры преобладают подземные воды в песках и других рыхлых породах.
Водоносным горизонтом называется пласт водопроницаемой породы, заполненный (насыщенный) водой, и способный отдавать ее.
Площади распространения водоносных горизонтов и водоносных пород обычно совпадают.
Площади питания совпадают с местами выхода на дневную поверхность пород, слагающих водоносный горизонт, а также с участками, где эти породы не перекрыты водоупорными толщами значительной мощности.
Водопроницаемость рыхлых (обломочных) пород зависит от их гранулометрического состава и, в частности, от содержания мелких пылеватых и глинистых частиц. Для определения содержания в водоносной породе частиц различного размера необходим анализ ее гранулометрического состава. В соответствии с полученными данными подбирают размер частиц песчано-гравийной засыпки, определяют шаг намотки проволоки, выбирают номер сетки для фильтра и т.п.
Виды подземных вод
По условиям залегания и питания водоносных горизонтов различают следующие подземные воды: верховодки, грунтовые воды со свободной поверхностью, безнапорные межпластовые, артезианские (напорные).
Кроме того, по условиям движения в водоносных слоях различают подземные воды, циркулирующие в рыхлых (песчаных, гравийных и галечниковых) слоях и в трещиноватых скальных породах.
Водоносные горизонты всегда залегают на водоупорных или весьма слабопроницаемых для воды горных породах.
Подошвой водоносного горизонта называются горные породы, подстилающие водоносный горизонт, и, в частности, их верхняя поверхность. Обычно она бывает водоупорной.
Верховодкой называют подземные воды, которые находятся на незначительной глубине (2-3 м) над водоупорными прослоями имеющими небольшое распространение на площади. В местах, где водоупорные прослои кончаются, верховодка также исчезает, стекая в нижележащий, более мощный водоносный горизонт. Запасы верховодки незначительны и непостоянны и зависят от количества выпадающих осадков. В засушливые периоды и зимой верховодка обычно исчезает. Для водоснабжения верховодку не используют, она легко загрязняется с поверхности земли. Поэтому при бурении скважин для водоснабжения верховодку необходимо тщательно изолировать обсадными трубами, чтобы избежать загрязнения расположенного ниже водоносного горизонта.
Горизонты грунтовых вод со свободной поверхностью залегают на ближайшем от поверхности земли водоупорном слое. Содержащие их водоносные слои сложены рыхлыми зернистыми или скальными трещиноватыми породами. Подземные воды этого типа могут питаться за счет инфильтрации (просачивания) в глубину по всей площади распространения водоносного горизонта. Они могут легко загрязняться стоком из выгребных ям, животноводческих ферм и т.п. Поэтому при использовании таких грунтовых вод для водоснабжения необходимо обеспечить надежную санитарную проверку и охрану участка водозабора.
Уровень грунтовых вод устанавливается в скважине на той глубине, на которой они были вскрыты. Если среди водоносного слоя имеются водоупорные слои в виде линз, то после проходки их в скважине может наблюдаться местный, обычно небольшой напор.
Подземные воды, циркулирующие в водоносных породах и расположенные между двумя водоупорными слоями, бывают безнапорными или же обладают определенным напором. В последнем случае они называются артезианскими.
Грунтовые безнапорные межпластовые воды соединяются с поверхностью земли водопроницаемыми слоями лишь на отдельных участках своего распространения; на всей остальной площади они хорошо защищены от загрязнения с поверхности верхним водоупорным слоем. При вскрытии вод уровень их в скважинах устанавливается либо очень незначительно выше водоупорной кровли водоносного слоя, либо на границе верхнего водоупора и водоносного слоя.
Артезианские водоносные горизонты также залегают между двумя водоупорными слоями и надежно защищены от поверхностного загрязнения. В отличие от грунтовых вод они часто имеют отдаленную область питания — за несколько километров и даже за десятки и сотни километров. При вскрытии скважиной уровень артезианской воды всегда устанавливается значительно выше водоупорной кровли водоносного горизонта, а иногда артезианская вода сама изливается из скважины (фонтанирует). На тех участках, где артезианские воды получают питание, они приобретают характер или грунтовых со свободной поверхностью, или межпластовых грунтовых вод.
Подземные воды всех перечисленных видов могут циркулировать в пустотах рыхлых зернистых или в трещинах скальных пород. В последнем случае подземные воды, относящиеся к любому из перечисленных видов, получают дополнительное название трещинных.
Движение подземных вод
Движение воды в водоносном горизонте, или так называемая фильтрация, происходит по порам и мелким трещинам горных пород. Отдельные струи движутся равномерно, без разрыва сплошного потока, с небольшими скоростями параллельно одна другой.
Такое движение подземной воды преобладает в природных условиях и называется ламинарным. Закон ламинарного движения формулируется следующим образом. Расход (или количество) воды, фильтрующейся через определенную площадь (поперечное сечение) горной породы, пропорционален этой площади, напору и обратно пропорционален длине пути фильтрации на данном участке потока.
Отклонения от закона ламинарного движения происходят при действительной скорости движения подземной воды свыше 1000 м/сутки, что наблюдается лишь в карстовых районах и в породах, имеющих большие трещины. Движение воды переходит в вихреобразное или турбулентное, при котором струи воды уже не движутся параллельно.
