Вода, впитавшаяся в почву, называется подземной или грунтовой. В водопроницаемой почве она, постепенно просачиваясь между частицами грунта, уходит глубже, пока не встретит слой глинистой породы или сплошного, не трещиноватого камня, на поверхности которых вода останавливается и накапливается. Порода, насыщенная водой, называется водоносным горизонтом. Этот горизонт залегает на различной глубине от поверхности — от полуметра где-нибудь в долине до десятков и даже сотен метров. В болоте, где водонепроницаемая глина лежит очень близко, вода стоит везде в ямках между кочками; здесь водоносный горизонт находится у самой поверхности земли.
Вода впитывается в почву не только с поверхности в виде дождя или тающего снега. Часть текучей воды из ручья или реки также уходит в грунт дна русла и его берегов и даже поднимается в стороны от русла, немного выше уровня в реке, из-за капиллярности, обусловленной натяжением поверхностного слоя воды, смачивающей частицы почвы.
Явление капиллярности легко наблюдать. Возьмите кусочек сахара или кусок фильтровальной бумаги и окуните концы их в воду; вы увидите, что очень скоро намокнет весь сахар, а бумага — до известной высоты. Вода, смачивая частицы сахара и бумаги, поднимается по тончайшим промежуткам между ними вверх. Поэтому на дне речных долин, в стороне от реки, мы можем встретить грунтовую воду на более высоком уровне, чем уровень воды в реке.
Источники и колодцы
Если водонепроницаемый слой, на котором образовался водоносный горизонт, имеет уклон в какую-либо сторону, то грунтовая вода будет медленно перемещаться в эту сторону. Представим себе, что этот слой на склоне оврага выходит на поверхность (рис. 49). Ясно, что и вода, движущаяся по этому слою, должна выйти опять на поверхность. Такой выход воды из-под земли называется ключом или источником, который будет скудным или обильным в зависимости от площади водоносного горизонта и его богатства водой.
Но грунтовую воду мы можем получить и на равнине, если прокопаем те слои почвы, через которые вода просачивается, и дойдем до водоносного горизонта. Это и делается посредством колодцев, которые выкапываются до водоносного горизонта. Водонепроницаемый слой под этим горизонтом должен быть сохранен; если его пробить, вода уйдет глубже, в проницаемые слои под непроницаемыми, и в колодце воды не будет. Стенки колодца закрепляют деревянным срубом или плетнем, чтобы рыхлая почва не обвалилась. Вода просачивается со всех сторон из водоносного слоя и накапливается в колодце. Обилие воды в колодце зависит от толщины водоносного слоя и его напитанности водой. Иной колодец можно вычерпать очень быстро, и потом нужно ждать, пока в нем опять накопится вода; значит, такой колодец встретил бедный водоносный слой.
Водоносных горизонтов часто бывает не один, а несколько; под верхним водонепроницаемым слоем залегают еще водопроницаемые, по которым просачивается вода до следующего водонепроницаемого, и т. д. Поэтому, если верхний водоносный горизонт беден водой, можно копать колодец глубже, до следующего. Из более глубоких горизонтов воду лучше добывать не простым колодцем, а так называемым артезианским, представляющим буровую скважину, т. е. цилиндрическую дырку, высверленную в почве буровым инструментом и закрепленную чугунной трубой (рис. 50). В эту трубу спускают трубку ручного насоса, которым выкачивают воду.
В иных артезианских колодцах вода по трубе сама поднимается высоко вверх или даже выливается из трубы, бьет из нее фонтаном. Это происходит в том случае, если местность в общем представляет плоскую впадину и водоносный горизонт, до которого доведен колодец, выходит на земную поверхность где-нибудь на окружающих высотах и там в него просачивается дождевая и снеговая вода, которая по водопроницаемому слою уходит вглубь. Разница в высоте места питания водой и места расположения колодца создает тот напор, под которым вода поднимается по трубе и при значительной разнице может выливаться из нее (рис. 50).
Весьма оригинальный способ вывода подземной воды на поверхность для орошения полей представляют кяризы в Азербайджане, Средней Азии и Иране. Климат там очень сухой и жаркий, дожди редки, снега почти не бывает. Вода речек и ручьев, вытекающих с гор, очень быстро исчезает, просачиваясь в большие толщи рыхлых галечников и песков, слагающих подножие гор. И вот, чтобы вывести воду, земледельцы проводят галерею к (рис. 51), которая начинается далеко внизу на подножии, где расположены пашни, и врезается постепенно все глубже в толщу наносов, сохраняя только небольшой уклон, необходимый для стока воды. Для удобства работы вдоль галереи расположены на некотором расстоянии друг от друга шахты ш, через которые выбрасывают землю, выкапываемую в галерее. Последняя, наконец, ближе к горам встречает водоносный горизонт в, питаемый водой, просачивающейся из реки. Эта вода будет стекать по дну галереи и выводиться из нее на пашни, сады и огороды. Кяризы требуют большой и опасной работы в рыхлых наносах и часто портятся из-за обвалов, так как закреплять свод и стены галереи очень дорого, и они остаются некреплеными.
Источники, дающие выход грунтовой воды на склонах, не все одинаковы. Источник, схематически изображенный на рис. 49, самый распространенный и называется пластовым. В других случаях водонепроницаемый слой залегает в виде плоской котловины и источник вытекает в самом низком месте слоя, выходящего на поверхность (рис. 52); такой источник называется котловинным. В твердых и плотных породах грунтовая вода пользуется уже главным образом рассекающими их трещинами для ухода вглубь. На склоне горы или долины водоносная трещина может выйти на поверхность, и из нее будет вытекать вода в виде источника, называемого трещинным (рис. 53).
Вода колодцев и источников большей частью пресная, вернее, она содержит так мало растворенных солей, что мы не замечаем их на вкус. Совершенно пресной грунтовая вода быть не может, так как при своем медленном просачивании сквозь водопроницаемые слои она должна понемногу растворять соли, содержащиеся в них в том или в другом количестве. Но в некоторых местностях вода колодцев, а также и источников имеет заметный горько-соленый вкус, иногда настолько сильный, что не только человек, но и менее взыскательные к воде животные, даже верблюд, отказываются пить ее. Такие колодцы и источники мы встречаем чаще всего в пустынях и полупустынях — в Сахаре, Аравии, Гоби, а у нас — в Прикаспийских степях, в Туркмении. В этих странах климат сухой, дожди выпадают редко, и поверхностные слои, по которым просачивается вода, обогащены солями, особенно в тех местах, где сравнительно недавно было море и оставило свои отложения, напитанные морскими солями.
Минеральные источники
Кроме этих, в сущности, только слабо соленых вод, приуроченных к странам с сухим климатом, во многих других известны источники, называемые минеральными, вода которых содержит большее или меньшее количество разных солей, а также газов. Присутствие последних легко заметить по пузырькам, которые выделяются из воды в источнике; они еще виднее в стакане, наполненном этой водой. Такая минеральная вода на взгляд или чистая, совершенно прозрачная, или же желтоватая, или мутная, даже молочно-белая. Качество и количество солей в минеральной воде очень различны. Почти всем известны минеральные воды нарзан и боржом, которые пьют в качестве столовой воды; в них солей немного, а газ, именно углекислота, делает их на вкус еще более приятными, освежающими. Другую же минеральную воду, как баталинская, вы не станете пить, потому что она горько-соленая или пахнет тухлыми яйцами, так как содержит вонючий газ сероводород, или имеет ржавый вкус и содержит железо. Подобные минеральные воды пьют только для лечения определенных болезней по указанию врача. В зависимости от содержания тех или других солей и газов минеральные источники делятся на углекисло-щелочные, железистые, сернистые, щелочноземельные, соляные и др.
Минеральную воду употребляют или только для питья, или для питья и ванн,— нарзан, боржом, или главным образом для ванн,— сернистая вода Пятигорска, Мацесты, Цхалтубо, соляная вода Старой Руссы, Славянска, Усолья. Из соляных источников вываривают также поваренную соль.
Температура источников обыкновенно невысокая и соответствует средней годовой температуре данной местности, так как вода, просачиваясь медленно по водопроницаемым слоям, близким к земной поверхности, получает температуру этих слоев, соответствующую средней годовой. В Сибири, где средняя годовая температура многих местностей ниже нуля, температура источников хотя и очень низкая, но все-таки выше нуля на 1—2°, иначе они не могли бы вытекать из земли. Минеральные же источники имеют более высокую температуру и являются теплыми, горячими и очень горячими. Например, нарзан и боржом, пятигорские серные источники, соляные Старой Руссы и другие — теплые; на Камчатке много источников с горячей, почти кипящей водой.
Высокая температура таких источников показывает, что вода их поднимается из большой глубины, из тех слоев земной коры, которые согреты внутренним жаром. Эти источники большей частью принадлежат к категории трещинных и вместе с тем являются восходящими (рис. 54), так как поднимаются из глубин, тогда как холодные пресные источники большей частью являются нисходящими, так как содержат воду, просочившуюся с земной поверхности вглубь и протекающую вниз по уклону водоносных слоев до своего выхода. Воду минеральных источников, в особенности теплых и горячих, считают также ювенильной, т. е. юной, происходящей из земных недр и впервые выходящей на поверхность; эта вода выделяется из остывающих расплавленных масс глубин и потому является минерализованной. В противоположность этой молодой по происхождению воде воду пресных холодных источников называют вадозной, так как она уже многократно участвовала в круговороте поверхностной воды, испарялась, выпадала в виде дождя и снега, впитывалась в почву, стекала в ручьи, реки и моря и опять испарялась. Конечно, могут быть и исключения. Грунтовая вода может проникнуть по трещинам горных пород достаточно глубоко, до слоев еще несколько нагретых, сделаться теплой и по другим трещинам подняться опять на поверхность на более низком уровне, сохраняя тепло и даже получив на своем длинном пути известную минерализацию. Таким образом, некоторые минеральные теплые источники могут быть вадозными, а не ювенильными. С другой стороны, теплая ювенильная вода, поднявшись по трещине, может смешаться с вадозной и понизить свою минерализацию, а также температуру и выйти в виде нисходящего холодного источника.
Вода — растворитель
Всем известно, что вода растворяет некоторые вещества; в стакане воды, даже холодной, легко растворить ложку сахара, поваренной соли, соды. В горячей воде те же вещества растворяются скорее. Соленость воды некоторых источников и колодцев и все минеральные источники уже доказали нам, что и в природе вода, просачиваясь по горным породам, растворяет кое-что на своем пути. Но большинство горных пород совсем не растворимо даже в горячей воде, которая может извлечь из них только отдельные ничтожные частицы. Зато другие породы, как каменная соль, гипс, известняк, более или менее растворимы, и просачивающаяся по ним вода мало-помалу удаляет из них частицу за частицей, расширяет трещины, по которым течет, создает пустоты разной величины. На известняк как породу и на известь, входящую в состав других пород, сильнее действует вода, содержащая углекислый газ, который она поглощает в небольшом количестве из воздуха. Каменную соль вода растворяет легко, гипс — гораздо труднее, но все же легче, чем известь. В растворимости известняка легко убедиться, поднявшись на горы, состоящие из этой породы, выше пределов растительности. Там мы кое-где найдем голые наклонные поверхности, по которым сбегает дождевая и снеговая вода, и увидим, что поверхность пласта известняка, когда-то ровная, сделалась неузнаваемой. Она вся изрезана извилистыми более или менее глубокими рытвинами, направленными по уклону и отделенными друг от друга острыми гребнями. Иногда эти рытвины достигают полуметра или больше в глубину, а гребни их зазубрены. Все рытвины созданы водой, стекавшей струйками по поверхности пласта и постепенно растворявшей известняк. Эти причудливые формы разъедания — так называемые карры — образуют иногда целые поля, пройти по которым при сильном развитии рытвин и гребней очень трудно или просто невозможно (рис. 55).
Карры доказывают нам, что вода, протекая под землей по трещинам известняков, а тем более гипса или каменной соли, может разъедать породы и создавать пустоты. Если пустота значительная и образовалась недалеко от земной поверхности, лежащие над ней слои под действием силы тяжести могут осесть, и на склоне горы или на дне долины образуется более или менее глубокая и широкая воронка (рис. 56 и 57), показывающая, что под землей поработала вода. Если воронок много, то такая местность является очень ненадежной для тяжелых построек и проведения железной дороги, так как новые воронки легко могут образоваться со временем под стенами здания или полотном дороги и вызвать катастрофу.
Такие воронки особенно часты в местности, почву которой слагают гипсоносные породы. Например, спуск железной дороги с Уфимского плато к городу Уфе по косогору берега реки Белой проложен по гипсоносным слоям и требует тщательного надзора и частого ремонта. Инженеры-строители проложили этот спуск вопреки указанию геологов, предупреждавших, что косогор этот очень ненадежен из-за гипсов.
В местностях с влажным климатом провалы почвы, обусловленные образованием подземных пустот, заполняются водой и образуют небольшие озерки, принадлежащие к типу провальных (рис. 58), или болота. В подземные пустоты иногда скрываются и речки, оставляя свое русло сухим; иногда из провальной воронки появляется восходящий источник, питаемый исчезнувшей речкой.
Карст
В местностях с более сухим климатом, преимущественно в горах, состоящих главным образом из известняков, развивается так называемый карст, обусловленный подземной работой воды. Его характеризуют воронки, провалы, слепые долины, исчезновение рек, подземные реки, частое отсутствие леса, скудость растительности на склонах. Все это обусловлено быстрым уходом дождевой воды из поверхностных слоев по трещинам вглубь, в подземные пустоты, что вызывает осушение почвы, питающей растительность, и рядом, как это ни странно, заболачивание слепых долин, образовавшихся на месте больших провалов, если поверхность известняков покрылась слоем глины, остающейся при растворении извести в глинистых известняках.
Карст у нас имеется в Крыму, а особенно развит он в Югославии, в горах Карст (откуда и произошло его название). В более влажном климате — на Уфимском плоскогорье, на Двинско-Онежском водоразделе — при отсутствии гор карст выражен воронками, провальными озерами (опади, опадки по-местному), превращающимися в болота, исчезновением рек в «жерлах.» и «пучинах» и появлением их ниже по течению прямо из русла или отверстий в скалах. В Ивановской области, где известняки в ряде районов залегают близ земной поверхности, очень распространены провальные озера, заполняющие воронки карста и достигающие глубины от 20 до 65 метров. Провалы происходят периодически и в наше время; проваливаются даже избы. 18 мая 1937 года в деревне Глубоковон, Савинского района, образовалась внезапно воронка до 100 метров в диаметре и 20 метров глубины заполнившаяся водой.
Пещеры в большинстве случаев являются результатом растворения горных пород подземной водой. Понятно, что районы карста особенно богаты пещерами, но последние встречаются нередко и независимо от карста в известняках и гипсоносных породах и гораздо реже в других малорастворимых породах. Форма пещер большей частью прямо доказывает, что они созданы растворяющей работой подземной воды. Пещеры редко представляют собой отдельную пустоту в горе, а большей частью — ряд пустот, имеющих форму залов или гротов различной величины со сводообразным потолком, соединенных друг с другом тесными или низкими проходами или широкими галереями. Эта система ходов и залов расположена или почти на одном уровне, или с уклоном в какую-либо сторону, или уступами на разных уровнях и представляет систему трещин, по которым протекала подземная вода, расширявшая их больше или меньше в зависимости от растворимости пород. В некоторых пещерах и теперь еще текут подземные речки или ручьи, в других сохранились озерки-бассейны разных размеров со стоячей водой на дне отдельных гротов (рис. 59).
Пещеры начинаются отверстием, иногда узким, иногда широким, расположенным на склоне горы или долины на различной высоте над ее дном, нередко в отвесной скале, иногда же на уровне моря (у прибрежных пещер). Через это отверстие турист попадает или сразу в первый и иногда единственный зал или же должен идти по узкому к извилистому проходу, иногда вверх или вниз, до первого расширения. Некоторые пещеры имеют и дополнительные выходы на поверхность, иногда в виде вертикальных труб из свода залов. Размеры пещер очень различны — от одного зала, близкого к поверхности, до целого лабиринта залов и переходов. Так, знаменитая Мамонтова пещера в штате Кентукки (США) состоит из 200 галерей, длиной не менее 250 километров, образующих лабиринт, в котором от входа до конца прямая линия достигает 16 километров; главный зал имеет в высоту 30 метров. У нас Кунгурская пещера, всего лучше исследованная, достигает в длину 2,5 километра. Пещеры у нас находятся в Крыму, на Кавказе, Урале, Алтае, в Забайкалье, Восточном Саяне, но большая часть их не изучена.
Пол пещер обычно более или менее густо усеян обломками породы, упавшими со свода, и покрыт пылью. Эти обломки лежат или непосредственно на сплошной каменной породе или же на толще наноса, отложенного в пещере протекавшей по ней водой или нанесенного ветром в виде пыли. В этом наносе часто схоронены кости и другие остатки обитателей пещеры — животных и человека. Среди костей находят кости хищников, постоянных обитателей пещер, как то: медведя, льва, тигра, гиены, волка, шакала, лисицы, затем животных, служивших пищей хищникам,— различных травоядных грызунов, птиц. Из других обитателей пещер назовем летучих мышей и некоторых птиц — сов, филинов, голубей, кости которых, впрочем, встречаются только в пещерах, близких к поверхности. Первобытный человек, живший в пещерах, оставил в них кости — свои и животных, которых он съедал, угли и золу своих огнищ, остатки изделий, каменных, костяных и других орудий, а на стенах — рисунки и надписи (см. рис. 267). Поэтому многие пещеры представляют большой научный интерес для выяснения фауны минувших времен и истории первобытных людей. Но поиски этих остатков нужно производить посредством раскопок по строгой системе и под научным руководством. Бессистемными раскопками можно только погубить ценный материал. Много пещерных отложений испорчено неумелыми любителями и искателями кладов. В СССР раскопки могут производить только специалисты — археологи по особым разрешениям — открытым листам.
Кроме рыхлых отложений, на дне многих пещер мы находим твердые образования в виде капельников. Они состоят из извести и отлагаются водой, капающей со сводов. Эта вода содержит в растворе известь, часть которой выделяется, пока капля висит на своде, а остальная — после падения капли на пол. Так мало-помалу сверху нарастает длинная сосулька, называемая сталактитом, а на полу образуется более широкая и плоская —-сталагмит. Если вода капает в разных местах свода,— образуются целые системы сталактитов и сталагмитов; соединившись друг с другом при нарастании, сталактит и сталагмит образуют колонну. Эти капельники на своде и на полу пещер, смотря по своему развитию и сочетанию, создают очень красивые эффекты при искусственном освещении, но мало интересны в научном отношении (рис. 60).
Еще красивее световые эффекты в пещерах-ледниках, которые отличаются тем, что сталактиты и сталагмиты в них состоят из льда, образующегося из-за низкой температуры этих пещер не только зимой, но и летом из капающей со свода воды. Кроме того, на стенах и сводах, где вода не капает, влажный воздух, проникающий в пещеру, осаждает влагу в виде инея, состоящего из крупных красивых ледяных кристаллов, отражающих огонь свечей или факелов миллионами блесток.
Пещеры-ледники известны у нас как в Крыму на Чатыр-Даге, в Чкаловской области (Илецкие и Индерские), так и на Урале — Кунгурская близ города Кунгура, расположенная в легко доступном месте. Она состоит из ряда залов, получивших различные названия, соединенных проходами и в общем образующих лабиринт протяжением 2,5 километра.
Ближайшая к выходу часть пещеры является холодной ледяной с инеем (рис. 61) и капельниками, а более отдаленная, в которую холодный воздух не проникает, имеет всегда температуру выше нуля и несколько незамерзающих озерков (самое крупное площадью в 750 кв. метров и глубиной до 6 метров). Из некоторых залов вертикальные трубы ведут на поверхность; они и обусловили охлаждение части пещеры ниже нуля, так как создали усиленную тягу холодного воздуха зимой через пещеру. Летом холодный воздух выходит из пещеры, но не по трубам, а через входное отверстие и гораздо медленнее, так что за лето пещера не успевает согреться. Эта пещера создана прежним подземным течением реки Силвы в гипсах и известняках (рис. 62).
Пещеры-ледники имеются и в разных странах Европы. Особенно замечательна пещера Добшау в Венгрии, в которой 7171 кв. метр покрыт льдом; объем последнего составляет 120 000 куб. метров; некоторые ледяные стены достигают 15 метров высоты.
Отложения подземных вод
Кроме сталактитов и сталагмитов пещер, подземные воды, просачиваясь или протекая по трещинам горных пород, создают и другие минеральные отложения, заполняющие эти трещины в виде прожилков и жил. Эти отложения состоят из извести в виде известкового шпата (минерала кальцита), из кремнезема в виде кварца и его разновидностей — горного хрусталя, халцедона, опала, агата, реже из барита (сернокислого бария), флюорита (фтористого кальция), марганцового шпата и др. В жилах могут быть вкраплены те или другие руды — золота, серебра, меди, железа, свинца, цинка и пр. При достаточном содержании одного или нескольких из этих металлов получаются рудные жилы, которые человек и разрабатывает.
Анализом воды минеральных источников можно доказать, что все перечисленные минералы и металлы содержатся в растворе в подземных водах в том или в другом количестве. Сами минеральные источники при выходе на поверхность образуют отложения, состоящие или из извести в виде известкового туфа или травертина, или из кремнезема в виде кремнистого туфа или гейзерита, или из окислов железа в виде лимонита. В туфах анализ обнаруживает и другие минералы в небольших количествах. В водопроводных трубах вода, которую мы считаем пресной, отлагает иногда известковый туф, который постепенно забивает всю трубу. В трубах, посредством которых минеральную воду выводят на поверхность из глубины, чтобы предупредить ее смешение с грунтовой водой и загрязнение («каптаж» минерального источника), вода также отлагает разные минералы, что создает необходимость периодической смены труб.
Известковый и кремнистый туфы образуют иногда очень мощные отложения в виде ступеней с бассейнами в несколько ярусов на склоне горы или долины или на ровном месте вокруг выхода источника (рис. 63). Вода сбегает струйками по ступеням из одного бассейна в другой и в каждом оставляет немного осадка из своих растворенных веществ. Кремнистый туф отлагается горячими источниками, особенно гейзерами, с которыми мы познакомимся далее; известковый туф отлагают холодные и некоторые горячие источники, например Карловы Вары в Чехословакии. В воду последних можно погрузить цветок, лист, палочку и через несколько часов вынуть их покрытыми слоем туфа.
Обвалы и оползни
Грунтовая вода, выходя на поверхность на каком-либо крутом обрыве или косогоре, часто вызывает обвалы и оползни, отличающиеся друг от друга тем, что первые представляют собой быстрое, а вторые — медленное смещение крупных масс горной породы. При обвалах масса, отделившаяся от обрыва или склона, падает или катится вниз, распадаясь при этом на более или менее крупные части и отдельные глыбы и щебень, образуя у подножия, а частью и на склоне нагромождение этих обломков. Обвалы нередко вызываются также подмывом утесов текучей водой реки, прибоем моря или озера, землетрясением и неосторожной работой человека и причиняют более или менее крупный вред в зависимости от места и объема упавшей массы (рис. 64).
Оползни образуются на склонах, сложенных из пластов, полого-наклонных к откосу, и при наличии водоносного (в) и водонепроницаемого (я) слоев; последний обычно состоит из глины, поверхность которой, смоченная водой, становится, скользкой; вышележащая толща рано или поздно оторвется и поползет вниз (рис. 65). Ее движение может быть вызвано разными причинами: землетрясением, сильным дождем, увеличившим ее вес, подмывом склона рекой или морем и неосторожным срезанием его человеком. В массивных породах оползень, как и обвал, может произойти по трещине, наклонной к откосу или обрыву, которую вода постепенно расширяет. От оползней в СССР сильно страдают берега Волги, берега Черного моря около Одессы, Южный берег Крыма и Кавказское побережье от Туапсе до Сухуми, где они вызывают большие разрушения и требуют крупных расходов по укреплению. Примеры ополз-ней и обвалов мы опишем ниже.
Источник: «Основы геологии», В. А. Обручев, 1956