of 36 /36
2. ORIGINEA ŞI DISTRIBUŢIA GENERALĂ A APELOR SUBTERANE Originea apelor subterane şi distribuţia lor în cadrul hidrosferei subterane, de la nivelul microscopic până la cel planetar, constituie obiectul cercetărilor hidrogeologice fundamentale cu implicaţii decisive în orientarea corectă pe termen lung a utilizării resurselor de apă subterană ale Pământului. Evoluţia teoriilor privind originea apelor subterane şi a detalierii distribuţiei lor pe verticală au avansat stimulate de rafinarea a tehnologiilor de investigare şi de extinderea cercetărilor hidrogeologice în adâncime. 2.1. Teorii privind originea apelor subterane Originea şi modul de formare a apelor subterane au constituit obiectul a numeroase cercetări, unele ipoteze fiind în prezent confirmate prin măsurători experimentale. Pe baza valorificării unui volum mare de date hidrogeologice, s-a ajuns la o concepţie unitară privind clasificarea genetică a apelor subterane, care reprezintă doar latura calitativă a problemei. 2.1.1. Teoria infiltrării Teoria infiltrării este în prezent acceptată ca fiind principala explicaţie pentru formarea apelor subterane. Această teorie a fost formulată de francezii B.Palissy (sec.XVI) şi E.Mariotte (sec.XVII) care susţineau că sursa de formare a acviferelor este infiltrarea apelor din precipitaţii, din domeniul marin şi din lacuri. În procesul de infiltrare, aceste ape pot întâlni un strat impermeabil care favorizează acumularea apelor infiltrate şi implicit formarea unui acvifer. Fizicianul Mariotte a argumentat această ipoteză pe baza bilanţului apei, întocmit pentru bazinul Senei. Această teorie este dovedită de unele observaţii simple: coborârea nivelului hidrostatic al acviferelor freatice în perioadele secetoase; creşterea în perioadele ploioase a nivelului hidrostatic al acviferelor freatice; 78

Originea apelor subterane

Embed Size (px)

DESCRIPTION

curs hidro

Text of Originea apelor subterane

Cap1

2. ORIGINEA I DISTRIBUIA GENERAL A APELOR SUBTERANE

Originea apelor subterane i distribuia lor n cadrul hidrosferei subterane, de la nivelul microscopic pn la cel planetar, constituie obiectul cercetrilor hidrogeologice fundamentale cu implicaii decisive n orientarea corect pe termen lung a utilizrii resurselor de ap subteran ale Pmntului.

Evoluia teoriilor privind originea apelor subterane i a detalierii distribuiei lor pe vertical au avansat stimulate de rafinarea a tehnologiilor de investigare i de extinderea cercetrilor hidrogeologice n adncime.

2.1. Teorii privind originea apelor subterane

Originea i modul de formare a apelor subterane au constituit obiectul a numeroase cercetri, unele ipoteze fiind n prezent confirmate prin msurtori experimentale.

Pe baza valorificrii unui volum mare de date hidrogeologice, s-a ajuns la o concepie unitar privind clasificarea genetic a apelor subterane, care reprezint doar latura calitativ a problemei.

2.1.1. Teoria infiltrrii

Teoria infiltrrii XE "Teoria infiltrrii" este n prezent acceptat ca fiind principala explicaie pentru formarea apelor subterane. Aceast teorie a fost formulat de francezii B.Palissy (sec.XVI) i E.Mariotte (sec.XVII) care susineau c sursa de formare a acviferelor este infiltrarea apelor din precipitaii, din domeniul marin i din lacuri.

n procesul de infiltrare, aceste ape pot ntlni un strat impermeabil care favorizeaz acumularea apelor infiltrate i implicit formarea unui acvifer.

Fizicianul Mariotte a argumentat aceast ipotez pe baza bilanului apei, ntocmit pentru bazinul Senei. Aceast teorie este dovedit de unele observaii simple:

coborrea nivelului hidrostatic al acviferelor freatice n perioadele secetoase;

creterea n perioadele ploioase a nivelului hidrostatic al acviferelor freatice;

variaia debitelor izvoarelor generate de acvifere freatice.

Teoria Palissy-Mariotte nu poate explica acumulrile de ap subteran cu mineralizaie redus din regiunile cu climat arid, regiuni cu veri lipsite de precipitaii i evaporri intense.

2.1.2. Teoria condensrii vaporilor de ap

Teoria condensrii vaporilor de ap XE "Teoria condensrii vaporilor de ap" a fost formulat n anul 1877 de hidrotehnicianul vienez O.Volger, care susinea c apele subterane provin din condensarea vaporilor de ap din aerul care circul prin porii i fisurile rocilor.

Partizanii teoriei condensrii combat teoria infiltrrii susinnd c n urma ploilor terenurile se umezesc pe o adncime redus, sub care urmeaz o zon relativ uscat (zona de aerare) i apoi acviferul. Din aceasta cauz ntre precipitaiile atmosferice i acvifere nu ar exista o legtur direct.

Teoria lui Volger se bazeaz pe faptul c la scderea temperaturii aerul saturat cu vapori de ap devine suprasaturat iar o parte din vaporii de ap se condenseaz i trec n stare lichid. n prezena unui strat impermeabil aceast ap se acumuleaz i poate forma un acvifer.

Din variaia umiditii aerului n funcie de temperatur (Tabelul 2.1, Fig.2.1) se poate estima cantitatea de ap cedat. De exemplu, un metru cub de aer saturat la 150C conine 12,7 grame de ap n stare de vapori iar la +50C conine 5,36 grame; prin rcire se condenseaz n stare lichid :

grame de ap

Tabelul 2.1 Variaia umiditii aerului saturat n funcie de temperatur

Temperatura punctului de rou [0C]0+5+10+15+20+25+30

[g/m3] 4,805,369,4012,7017,5022,8030,80

Umiditatea [mm.col.Hg]4,566,609,2513,2016,9022,3031,40

[milibar(mb)]6,178,9612,0020,6022,8030,2042,50

Alimentarea acestui proces are loc cnd aerul mai cald din atmosfer ptrunde n teren, la o temperatur mai sczut, cednd o parte din ap sub form de picturi, care sub aciunea gravitaiei se infiltreaz pn la un teren impermeabil, dnd natere unui acvifer.

Acestei ipoteze i s-au adus o serie de critici, i anume:

formarea unui acvifer implic o vitez minim de 5 cm/sec pentru aerul cald i saturat cu vapori de ap care ptrunde n teren pentru a ceda apa prin condensare ;

cldura latent de condensare a apei conduce la nclzirea terenului i deci la ncetinirea procesului de condensare;

atmosfera nu poate furniza cantitatea de vapori de ap necesar pentru a explica alimentarea exclusiv a acviferelor prin condensare;

condiiile meteorologice nu sunt ntotdeauna favorabile formrii apei subterane prin condensare deoarece:

n timpul iernii se produce o evaporare a apei din acvifere chiar i n zilele calde;

rareori se ntmpl ca aerul s ajung la umiditatea de saturaie;

numai la valori mari ale umiditii relative poate avea loc condensarea vaporilor de ap n teren, n urma ptrunderii aerului atmosferic.

A.F.Lebedev (1905) a ajuns la o nou interpretare a teoriei condensrii, considernd c amestecul de aer i vapori de ap constituie dou sisteme termodinamic independente i deplasarea vaporilor de ap din zonele mai umede i mai calde spre zonele mai uscate i mai reci se poate face fr a antrena ntreaga mas de aer. Deplasarea vaporilor de ap este cauzat de diferena tensiunii de vapori dintre cele dou zone care se modific semnificativ de la var la iarn.

n timpul verii, cnd solul se nclzete puternic, vaporii de ap migreaz n adncime pn la zona neutr XE "zona neutr" , cu temperatur mai redus dar constant n timpul anului. Adncimea zonei neutre variaz ntre 15m pentru terenuri argiloase i 40 m n cazul granitelor (Schoeller,H.,1962). n limitele acestei zone neutre, vaporii de ap descendeni se pot combina cu cei ascendeni, provenii din adncime datorit regimului geotermic i prin condensare pot forma acvifere.

n timpul iernii, datorit temperaturii mai sczute la suprafaa terenului, vaporii de ap se deplaseaz dinspre zona neutr spre orizonturile superioare ale solului, asigurndu-i acestuia o umiditate suplimentar.

A.F.Lebedev a subliniat imposibilitatea formrii unui acvifer numai prin condensarea vaporilor atmosferici, al cror aport este evaluat, n anumite condiii climatice la 1/5-1/7 din aportul precipitaiilor prin infiltrare.

Din schematizarea formrii acviferelor freatice n conformitate cu teoria condensrii vaporilor de ap (Fig.2.2) rezult c formarea apei subterane (lichide) i implicit a acviferelor poate avea loc numai pn la adncimea zonei neutre. Sunt frecvente i situaiile cnd alimentarea acviferului freatic se face cu vapori de ap din adncime, i anume atunci cnd baza acviferului corespunde batimetric cu zona neutr.

Schoeller H. arat c procesul de condensare poate deveni important din punct de vedere cantitativ prin aportul norilor i al ceii pe crestele munilor (mai ales sub influena continuitii vnturilor) sau al apei de rou n vecintatea domeniului marin.

Un aport important, n procesul de condensare l au urmtoarele fenomene:

adsorbia higroscopic XE "adsorbia higroscopic" , n cazul terenurilor nesaturate, prin care vaporii de ap se formeaz pe particulele terenului; este suficient o scdere redus de temperatur pentru a se forma apa lichid. Cantitatea de vapori adsorbii depinde direct de fineea granulometric a terenului.

difuzia vaporilor de ap XE "difuzia vaporilor de ap" care permite ptrunderea lor n adncime i condensarea n stratele mai reci; fenomenul nu este afectat de natura terenului ci numai de porozitatea activ.

respiraia solului XE "respiraia solului" , provocat de variaiile diurne ale temperaturii i de infiltrarea apei meteorice, determin circulaia aerului atmosferic n i din teren; vaporii de ap care ptrund odat cu aerul pot condensa n zonele mai reci.

Apele subterane provenite din infiltrarea apelor de suprafa i din condensarea vaporilor de ap din atmosfer se numesc ape vadoase XE "ape vadoase" . Cercetrile efectuate pe litoralul romnesc au artat c o surs de alimentare a acviferului barremian - jurasic este i condensarea endocarstic XE "condensarea endocarstic" , evaluat la maximum 30% din valoarea precipitaiilor czute n aceasta zon, procesul avnd loc pe o adncime de circa un metru i numai n anumite perioade ale anului.

2.1.3. Teoria juvenil

Teoria juvenil XE "Teoria juvenil" susine c apele subterane provin din condensarea vaporilor de ap formai n urma proceselor fizico-chimice de adncime. Pentru prima dat aceast teorie a fost formulat de geologul austriac Suess E.(1902) care a considerat c apele subterane cu temperatura ridicat, cu coninut de gaze, sau puternic mineralizate constituie ultima etapa a diferenierii magmatice.

n funcie de origin, apele juvenile pot fi magmatice i vulcanice.

Apele juvenile de origin magmatic se formeaz prin ascensiunea gazelor din magm, iar la temperaturi de 500-6000C hidrogenul se combin cu oxigenul formnd vaporii de ap (ap de sintez). Datorit energiei poteniale, vaporii de ap i continu micarea ascendent pe marile fracturi iar la temperaturi sczute se condenseaz i apar la suprafa sub form de izvoare (Fig.2.3) sau se acumuleaz n ptura sedimentar a scoarei terestre formnd acvifere. Dup Suess, prima ap care a aprut la suprafaa terenului s-a format n acest mod.

Cu toate c, la scara timpului actual, aportul juvenil este neglijabil (civa km3/an) n raport cu masele de ap acumulate n marile rezervoare, dac se ia n considerare c acest proces se produce n acelai mod de cteva miliarde de ani, se ajunge la volumul de ap actual. Sursele de ap sunt uor de justificat; de exemplu, o intruziune magmatic de 1000m grosime, situat n zona superioar a scoarei terestre, cu un coninut de ap de 5% din greutate, dac se rcete lent, ea poate elibera 106m3/an.km2 (Castany,G.,1980).

Ipoteza originii magmatice a apelor subterane a aprut i s-a dezvoltat n legtur cu explicarea genezei apelor termominerale. Dac la nceputul secolului XX se consider c toate apele termominerale erau de origin juvenil, n decursul timpului ponderea acestei ipoteze a sczut n urma definirii scrii geotermice i a unor procese biologice i chimice generatoare de ape minerale. n prezent se admite, n majoritatea situaiilor, o origine mixt a apelor termominerale, apele de origine magmatic amestecndu-se cu cele de origine vadoas (Fig.2.4).

2.1.4. Teoria originii arteziene

Teoria originii arteziene XE "Teoria originii arteziene" a unor ape termominerale reprezint o variant a originii vadoase, apele subterane aprnd sub form de izvoare la suprafaa terenului datorit presiunii proprii (artezianism). n condiiile marilor fracturi tectonice i a unei fisuraii deschise, apele meteorice pot ajunge la mari adncimi. n faza descendent, apele pot ctiga o anumit termalitate i compoziie chimic. Datorit presiunii, vaporilor formai i a termalitii, n faza urmtoare se produce o circulaie ascendent rapid, apele ajungnd la suprafa n puncte cu cote mai mici n raport cu domeniul de alimentare. n contact cu rocile, datorit temperaturii i presiunii ridicate aceste ape se mbogesc n elemente mineralizante.

Apele subterane care ajung la suprafa sub form de izvoare datorit artezianismului pot avea origine magmatic, vulcanic, vadoas i de cele mai multe ori sunt amestecate (origine mixt). Originea magmatic XE "Originea magmatic" corespunde n general unui sistem redus de fracturi (Fig.2.3) n timp ce originea mixt se datoreaz unui sistem de fisuri dezvoltat, cu un grad ridicat de interconexiuni care favorizeaz o alimentare bogat cu ape vadoase, la care se adaug i un regim pluviometric favorabil (Fig.2.4). n condiiile unui aport magmatic numai de gaze (CO2, H2S etc.), apele termominerale pot avea origine vadoas, respectiv artezian, aceeai concluzie fiind valabil i n cazul fracturilor care se nchid la mari adncimi, ele formnd un sistem deschis numai n raport cu suprafaa terenului.

Originea vulcanic XE "Originea vulcanic" a apei subterane este sprijinit de faptul c n perioadele de erupie vulcanii elimin o mare cantitate de ap prin produsele expulzate, prin consolidarea lavei i prin manifestrile de gaze care pot conine uneori pn la 75% vapori de ap. O parte din apa expulzat de vulcani este ns de origine vadoas datorit traversrii de ctre courile aparatului vulcanic a numeroase acvifere (Preda,I.,1981).

2.1.5. Teoria apelor regenerate

Apele regenerate XE "Ape regenerate" se formeaz pe seama unei cantiti importante de ap vadoas, care datorit proceselor geologice de la suprafaa terestr au intrat n compoziia unor minerale cu ap de constituie i de cristalizare. n urma fenomenelor de orogenez, aceste minerale ajung n zonele de metamorfism unde datorit temperaturii i presiunii ridicate i pierd coninutul n ap care se transform n vapori ascendeni i apoi n ap lichid. Aceste ape sunt foarte asemntoare din punct de vedere fizic i chimic cu cele magmatice, dar provenind n urma procesului de metamorfism au fost numite ape regenerate (Ovcinikov, A.). Tot n categoria genetic a apelor regenerate se pot include i apele eliminate prin consolidare n procesul de diagenez a sedimentelor. Se cunosc situaii n care acviferele sunt alimentate cu ape rezultate prin consolidarea natural a formaiunilor argiloase cu care vin n contact.

2.1.6. Teoria apelor fosile

Teoria apelor fosile XE "ape fosile" a cutat s explice originea apelor asociate zcmintelor de hidrocarburi, considernd c aceste ape cu mineralizaii ridicate au aceeai vrst cu sedimentele care au generat hidrocarburile. n felul acesta s-a ajuns la diferenierea apelor subterane dup principiul stratigrafic.

Aceast ap sedimentogen XE "ap sedimentogen" \t "See ape fosile" a rmas captiv n roc, dup eliminarea prin procese de diagenez a unei pri importante din apa iniial a sedimentelor i a organismelor marine (vegetale i animale).

Teoria mai precizeaz c presiunea de zcmnt (a acviferelor respective) este dat de presiunea litostatic (i nu de cea hidrostatic) iar apele nu particip la circuitul general din natur, structurile respective fiind nchise din punct de vedere hidrodinamic.

Forajele executate pentru petrol au furnizat ns o serie de date care nu permit generalizarea acestei teorii pentru toate apele asociate. Sunt foraje care au identificat dinamica unor acvifere asociate zcmintelor de petrol. Acest lucru infirm caracterul nchis al acestor hidrostructuri.

n prezent, lundu-se n considerare toate situaiile hidrogeologice, teoria apelor fosile prezint dou variante care se refer la:

apele fosile singenetice denumite i ape de zcmnt sau ape veterice (denumire dat de L.Mrazec);

apele fosile epigenetice cu o vrst geologic mai recent n raport cu roca colectoare.

Apele fosile singenetice XE "Ape fosile singenetice" (asociate zcmintelor de petrol) se caracterizeaz prin coninuturi ridicate de iod (peste 100 mg/litru). Att iodul din apa asociat ct i cel din petrol provin din organismele vegetale i animale care au populat Oceanul Planetar, deci au o origine organic.

Apele fosile epigenetice XE "Ape fosile epigenetice" au fost puse n evidena n urma prospeciunilor hidrogeologice n zonele aride, lipsite de surse de alimentare actuale. n aceast situaie se ncadreaz cele dou acvifere din subsolul Saharei (acviferul continental intercalaire, nisipos, de vrst antecenomanian i acviferul continental terminal calcaros, de vrst cenomanian), cu extindere regional i importante rezerve exploatabile de ap. Vrsta acestor ape este de circa 35.000 ani, deci ele s-au format n timpul glaciaiunii wurmiene.

ntr-o clasificarea genetic (Fig.2.5) sunt figurate grupele (apele endogene i exogene), tipurile i varietile principale de ape subterane. Aceast schematizare nu cuprinde toate conexiunile genetice dintre toate categoriile de ape subterane, dar poate conduce la definirea ciclurilor genetice ale apelor subterane.

Evaluarea i valorificarea acviferelor de adncime, termominerale i geotermale sunt condiionate de cunoaterea originii i vrstei apelor subterane pentru stabilirea crora sunt utilizai izotopii de mediu.

2.2. Distribuia general a apelor subterane

Diferitele forme de ap din scoara terestr determin o anumit zonare a umiditii pe vertical. Geneza hidrosferei i micarea diferitelor forme ale apei subterane n geosfere condiioneaz zonarea hidrogeodinamic la scar global.

2.2.1. Forme de ap din scoara terestr

Apa din scoara terestr se gsete mai mult sau mai puin legat de roc, n diferite stri de agregare:

apa n stare de vapori;

apa legat fizic sau apa de retenie;

apa legat chimic (de cristalizare sau de constituie);

apa capilar;

apa liber sau hidrodinamic activ;

apa n stare solid;

apa n stare supracritic.

2.2.1.1. Apa n stare de vapori

Apa n stare de vapori XE "Apa n stare de vapori" (vaporii de ap) se gsete n terenurile nesaturate, ea fiind ntr-un echilibru dinamic cu celelalte forme de ap, precum i cu vaporii din atmosfer. Ca rezultat al condensrii vaporilor se formeaz apa legat fizic i apa hidrodinamic activ. Vaporii de ap au o mare mobilitate n zona vadoas, ei deplasndu-se n diferite direcii, n funcie de distribuia presiunii vaporilor.

2.2.1.2. Apa legat fizic

Apa legat fizic XE "Apa legat fizic" (apa de retenie) este meninut n porii i microfisurile unui teren saturat sau nesaturat de ctre forele de atracie molecular (de natur electrostatic), care acioneaz la contactul particulelor cu moleculele de ap. Aceste fore descresc rapid cu distana, astfel nct moleculele de ap i pierd orientarea i pot fi antrenate gravitaional (Fig.2.6).

n funcie de nivelul energetic, apa de retenie se poate separa n ap higroscopic i ap pelicular.

Apa higroscopic XE "Apa higroscopic" este fixat la suprafaa particulelor uscate, prin adsorbie, dintr-o atmosfer umed, deci prin transfer de vapori. Higroscopicitatea maxim se realizeaz la o umiditate relativ a aerului de 100%.

Apa pelicular XE "Apa pelicular" corespunde unui nivel energetic mai redus i se poate deplasa sub form lichid, de la o particul cu pelicul mai groas ctre o particul cu pelicula de ap mai subire (Fig.2.7). Acest proces de migraie a apei peliculare, ntre particulele vecine, are loc pn cnd grosimea apei peliculare la cele dou particule ajunge la aceeai valoare.

Cazul particulei e din figura 2.7, este un exemplu tipic de trecere a unei forme de ap n alta, datorit schimbrilor fizico-chimice i hidraulice din teren. n cazul respectiv, apa pelicular aferent particulei fiind n exces, o parte din ea se transform n ap gravitaional XE "ap gravitaional" .

2.2.1.3. Apa legat chimic

Apa legat chimic XE "Apa legat chimic" se comport diferit, n funcie de prezena moleculei de H2O (ap de cristalizare) sau a gruprii hidroxil (OH)- (apa de constituie).

Mineralele hidratate cedeaz apa de cristalizare la temperaturi nu mai mari de 300-4000C, n timp ce mineralele hidroxilice se deshidrateaz la temperaturi mari, variind ntre 400 i 13000C, cnd are loc distrugerea complet a moleculei. n aceste condiii se poate aprecia c apa de cristalizare se poate transforma n ap liber chiar n interiorul scoarei terestre, n timp ce apa de constituie poate trece n stare liber numai n cadrul mantalei.

2.2.1.4. Apa capilar

Apa capilar XE "Apa capilar" este meninut n porii i fisurile terenurilor sub aciunea forelor de capilaritate, fiind supus unei presiuni mai mici dect presiunea atmosferic. Dup poziia n raport cu suprafaa piezometric a acviferului freatic i starea de umiditate a terenului, se pot defini patru forme de ap capilar:

apa capilar suspendat XE "apa capilar suspendat" care poate forma mici acumulri de ap n zona vadoas;

apa capilar mobil XE "apa capilar mobil" , localizat la baza zonei de ascensiune capilar, ocup practic tot spaiul poros-capilar (gradul de saturaie, Sr=1); ea este supus aciunii gravitaiei, deci se comport ca o ap liber (Fig.2.9);

apa capilar discontinu XE "apa capilar discontinu" , localizat la partea superioar a zonei de ascensiune capilar, genereaz un grad de saturaie subunitar (Sr