Znaczna część wód na Ziemi znajduje się pod jej powierzchnią. Zaliczamy do nich zarówno podwodne zbiorniki jak i wodę w szczelinach skalnych. Ten rodzaj wód stanowi znaczną część ziemskich zasobów wody słodkiej.

Spis tematów (kliknij, aby przejść do wyboru tematów)


Hydrosfera

VI Wody podziemne

Wody dostają się pod ziemię w wyniku działania siły grawitacji, wykorzystując przepuszczalność skał na które natrafiają. Na wszystkich lądach na Ziemi występują wody podziemne (chyba, że jest to woda zamarznięta), nawet na najbardziej suchych pustyniach na Ziemi. Wody te zalegają jednak na różnej głębokości. Wpływ na to mają:

  • Klimat obszaru – wielkość opadów i w mniejszym stopniu wysokość temperatur
  • Istnienie wód powierzchniowych – przede wszystkim jezior i rzek
  • Rodzaj i ułożenie skał podłoża – a zwłaszcza ich przepuszczalność

Fakt zaistnienia wód podziemnych może nastąpić tylko, gdy dokona się infiltracja, czyli wsiąkanie wody. To czy ona wystąpi zależy w największym stopniu od podłoża skalnego. Niektóre skały o małej gęstości pozwalają wodzie swobodnie wsiąkać, inne – lite lub z innych powodów nieprzepuszczalne – uniemożliwiają infiltrację.

1. Podział wód podziemnych według genezy

Ze względu na pochodzenie, wody podziemne dzielimy na:

  • Infiltracyjne – skutek wsiąkania wody opadowej i wód powierzchniowych z rzek, jezior i innych.
  • Kondensacyjne – skutek bezpośredniej kondensacji pary wodnej w glebie lub na powierzchni ziemi. Mają małe znaczenie, gdyż łatwo wyparowują, ale stanowią nawet 50% wszystkich wód podziemnych.
  • Juwenilne – efekt skroplenia pary wodnej zawartej w krzepnącej magmie. Często występują w postaci gejzerów i wód termalnych.
  • Reliktowe – to wody odcięte od cyklu hydrologicznego, znajdujące się na znacznych głębokościach, odcięte skałami nieprzepuszczalnymi od wyższych warstw. Są pozostałością dawnych zbiorników powierzchniowych lub odcięte w dalekiej przeszłości wody pochodzenia atmosferycznego. Ich ilość jest stała i nie odnawiają swoich zasobów.

2. Warstwy wód podziemnych

Jeżeli powierzchnia Ziemi ma charakter przepuszczalny, to znajdują się pod nią dwa rodzaje warstw podziemnych – strefa aeracji i strefa saturacji.

Strefa aeracji i strefa saturacji

Źródło: Opracowanie własne – Krzysztof Grabias.

Strefa aeracji to warstwa skał przepuszczalnych niewypełniona wodą, a stanowiąca jedynie przestrzeń przez którą woda przesącza się głębiej. Jedynie niewielkie fragmenty wolnych przestrzeni wypełnia para wodna (i kilka innych szczególnych rodzajów wód: woda związana chemicznie, woda związana fizycznie, woda higroskopowa, woda błonkowata czy woda kapilarna). Infiltrująca wgłąb woda nazywana jest wodą wolną.

Gdy wsiąkająca woda natrafi na przeszkodę w postaci skał nieprzepuszczalnych, zaczyna stopniowo wypełniać okoliczne skały tworząc strefę saturacji czyli warstwę wodonośną (skały wypełnione wodą). W tej warstwie występują min. wody porowe, szczelinowe i krasowe, a także wody złożone (mieszane).

Na granicy strefy aeracji i strefy saturacji występuje zwierciadło wód podziemnych, czyli granica warstwy wodonośnej – skał wypełnionych wodą. Zwierciadło może mieć charakter swobodny, gdy od powierzchni gruntu nie jest ograniczona przez skały nieprzepuszczalne lub napięty, gdy warstwa wodonośna jest z obu stron ograniczona skałami nieprzepuszczalnymi. Na rozmaitych rycinach i ilustracjach, zwierciadła swobodne oznacza się odwróconym trójkątem o jasnym zabarwieniu, zaś napięte – o ciemnym zabarwieniu.

3. Rodzaje wód podziemnych według głębokości zalegania

Wody podziemne dzielimy min. ze względu na głębokość ich zalegania.

Schemat wód podziemnych na różnych głębokościach

Źródło: Opracowanie własne – Krzysztof Grabias
  • Wody przypowierzchniowe zwane też zaskórnymi zalegają bezpośrednio pod powierzchnią ziemi i są silnie uzależnione od warunków atmosferycznych. Mogą tworzyć lokalne podmokłości, najczęściej są też silnie zanieczyszczone a przez to – nienadające się do spożycia.
  • Wody zawieszone – choć znajdują się w strefie aeracji, nie wsiąkają głębiej ze względu na lokalne uwarunkowania skał (tworzące nieckowate układy), w których są zlokalizowane i tym samym zatrzymane.
  • Wody gruntowe – tworzą pierwszą właściwą warstwę wodonośną, zalegając bezpośrednio nad pierwszą ciągłą warstwą skał nieprzepuszczalnych. Ze względu na głębokość zalegania, reagują wolniej niż płytsze wody na zmieniające się warunki atmosferyczne. Mają swobodne zwierciadło, którego wysokość ulega okresowym wahaniom (zwłaszcza po długotrwałych opadach lub suszach). Dzięki przebytej drodze przez strefę aeracji, w procesie infiltracji wody te są oczyszczane, dzięki czemu doskonale nadają się do spożycia.
  • Okno hydrologiczne – najczęściej niewielki częściowo-przepuszczalny utwór w nieprzepuszczalnej warstwie skał, który umożliwia dalszą infiltrację części wód gruntowych.
  • Wody wgłębne – obejmują w zasadzie dwa rodzaje wód. Pierwszy – będący efektem dalszej infiltracji wód gruntowych przez okno hydrologiczne oraz drugi – wody o silnym napięciu hydrostatycznym (wody artezyjskie i subartezyjskie), które ze względu na specyficzny układ warstw przepuszczalnych i nieprzepuszczalnych skał, są zasilane bezpośrednio przy powierzchni Ziemi, a następnie spływają do głębokich niecek (patrz schemat wód artezyjskich i subartezyjskich).
  • Wody głębinowe – to najczęściej całkowicie odcięte od cyklu hydrologiczne wody reliktowe. W wyniku skomplikowanych procesów geologicznych, wody te znalazły się pomiędzy dwoma grupami warstw nieprzepuszczalnych i tym samym zostały uwięzione. Ze względu na odcięcie od źródeł zasilania mają stałe i nieodnawialne zasoby.

Szczególnym rodzajem wód wgłębnych są wody artezyjskie i subartezyjskie.

Schemat studni artezyjskiej i subartezyjskiej

Źródło: Opracowanie własne – Krzysztof Grabias.

W niektórych miejscach na Ziemi (np. Wielki Basen Artezyjski w Australii) skały mają specyficzny układ. Dwie grupy warstw nieprzepuszczalnych przecięte są jedną warstwą skał przepuszczalnych, która ma bezpośredni kontakt z otwartą przestrzenią. Wszystkie warstwy tworzą charakterystyczny układ niecki zwanej artezyjską. Woda deszczowa ale też spływająca ze źródeł powierzchniowych, wpada w warstwę skał przepuszczalnych i zasila głębokie obniżenie. Tym samym woda ta zostaje uwięziona między dwiema warstwami nieprzepuszczalnymi. Ciśnienie hydrostatyczne jest zwiększone, ponieważ ciągle dopływają nowe wody ze strefy zasilania. Dalszy rozwój wypadków zależy od szczegółowej budowy skalnej. Jeżeli to warstwa poniżej jest mnie twarda – woda wsiąknie do głębszych poziomów. Jeżeli jednak to górna pokrywa skał jest zdalna do rzeźbienia przez wodę, powstaje pompa, którą woda próbuje wydostać się na powierzchnię. Jeżeli poziom wody się podniesie, ale nie przebije skał – mówimy o wodach subartezyjskich (studni subartezyjskiej), jeżeli jednak wody przebiją się i wypłyną na powierzchnię – mówimy o wodach artezyjskich (studni artezyjskiej). Wypływ wody z niecki artezyjskiej nazywamy jest z kolei źródłem artezyjskim.

4. Rodzaje źródeł

Wody podziemne wybijają na powierzchnię w postaci zródeł czyli miejsc – najczęściej niewielkich otworów w utworach skał nieprzepuszczalnych. Woda może wypływać w dół pod wpływem grawitacji (źródła zstępujące) lub być wypychana ku górze pod wpływem ciśnienia (źródła wstępujące).

Źródła według typów geologicznych

Źródło: Opracowanie własne.

Geologicznymi typami źródeł są:

  • Źródła szczelinowe – zasilane są wodami spływającymi przez wąskie szczeliny w grupach skał nieprzepuszczalnych. Źródło występuje w miejscu przecięcia szczeliny przez powierzchnię Ziemi. Mogą być zstępujące lub wstępujące.
  • Źródła uskokowe – zasilane są wodami spływającymi przez skały przepuszczalne otoczone skałami nieprzepuszczalnymi. Źródło występuje w miejscu przesunięcia (uskoku) skał względem pierwotnego położenia – na granicy z powierzchnią Ziemi. Mogą być zstępujące lub wstępujące.
  • Źródła przelewowe – zasilane są wodami gromadzącymi się w podziemnym nieckowatym zagłębieniu złożonym z utworów skał przepuszczalnych (o spągu przepuszczalnym lub nieprzepuszczalnym). Źródło występuje w miejscu przelania się wody przez granice powierzchni Ziemi. Mogą być zstępujące lub wstępujące
  • Źródła krasowe – zasilane są wodami gromadzącymi się w jaskiniach zbudowanych ze skał krasowych (najczęściej po opadach). W zależności od typu – tworzą wypływy krasowe (typ zstępujący) lub wywierzyska pod silnym ciśnieniem hydrostatycznym (typ wstępujący). Źródło powstaje na granicy skał krasowych i powierzchni Ziemi.
  • Źródła dolinne – zasilane są wodami spływającymi grawitacyjnie przez skały przepuszczalne ku dolinie (typ zstępujący) lub w miejscu, gdzie dolina przecina utwory skał nieprzepuszczalnych (typ wstępujący).
  • Źródła warstwowe (zboczowe) – zasilane są przez wodę spływającą grawitacyjnie w nachylonych utworach skał przepuszczalnych otoczonych przez skały nieprzepuszczalne. Źródło występuje na granicy skał nieprzepuszczalnych i powierzchni Ziemi.
  • Źródła osuwiskowe (rumowiskowe) – zasilane są wodami spływającymi grawitacyjnie w utworach skał przepuszczalnych. Źródło jest przesunięte na skraj osuwiska, które odcięło miejsce przecięcia warstwy przepuszczalnej przez powierzchnię Ziemi.

5. Gejzery

Gejzery to szczególne rodzaje źródeł, z których wydobywa się gorąca woda pod wysokim ciśnieniem. Występują na obszarach aktywnych wulkanicznie, gdzie płytko pod powierzchnią Ziemi znajdują się ogniska magmy, dostarczające ciepło, które następnie ogrzewa podziemne zbiorniki wypełnione wodą. Ze względu na panujące wysokie ciśnienie, temperatura wrzenia wody przekracza 100°C (sięga nawet 120°C), co powoduje, że w momencie kiedy osiągnie wreszcie temperaturę wrzenia, gwałtownie przechodzi w parę wodną wypychając wierzchnie warstwy wody ku powierzchni, które wytryskują w postaci słupa wrzącej wody. Woda ta następnie spływa ponownie do podziemnych komór i proces się powtarza.

Schemat gejzeru

Źródło: https://cdn.britannica.com/29/95629-050-36C6E307/underground-Groundwater-geyser-rock-Cross-section-fractures.jpg

Typowymi obszarami występowania gejzerów są min:

  • USA w tym Yellowstone National Park
  • Nowa Zelandia
  • Islandia
  • Półwysep Kamczatka w Rosji
  • Japonia

Gejzer w trakcie wybuchu

Źródło: https://youtu.be/UJMMQ9eKx-4

6. Wody termalne i ich wykorzystanie gospodarcze

Wodami termalnymi (termy, cieplice) nazywamy wszystkie wody podziemne, które wypływając na powierzchnię mają temperaturę wyższą od temperatury powietrza w danym miejscu. Pod ziemią, zwłaszcza na obszarach aktywnych wulkanicznie, występują ciepłe wody. Przyjmuje się, że wraz ze wzrostem głębokości o 35 metrów, temperatura wody rośnie o 1°C. Dzieje się tak, ponieważ wnętrze Ziemi – jądro, emituje ciepło. W wielu krajach występują wody o temperaturach wynoszących nawet kilkadziesiąt stopni Celsjusza, które wykorzystuje się do produkcji energii geotermalnej – przede wszystkim do ogrzewania domów (np. na Islandii), a także produkcji energii elektrycznej. Ciepłę wody wykorzystuje się także do tworzenia uzdrowisk i basenów.

Za pomocą energii geotermalnej ogrzewa się min. chodniki w Reykjaviku

Źródło: https://i.cbc.ca/1.2460216.1386796698!/fileImage/httpImage/image.jpg_gen/derivatives/16x9_780/geothermally-heated-sidewalk-in-downtown-reykjavik-iceland.jpg


7. Wody mineralne i ich wykorzystanie gospodarcze

Niektóre wody podziemne są bardzo zasobne w sole mineralne. Jeżeli ich zawartość w jednym litrze wody przekracza 1 gram, takie wody nazywamy mineralnymi. Ze względu na rodzaj zawieranych związków chemicznych, wody te dzielimy na:

  • szczawy – wody zawierające dwutlenek węgla, wodorowęglany wapnia i sodu lub związki żelaza
  • solanki – wody o zawartości soli kamiennej powyżej 15 g/l lub z zawartością soli magnezu
  • wody siarczanowe i siarczkowe – zwierają siarkę lub siarczany wapnia i sodu lub siarkowodór
  • wody borowe – zawierają bor
  • wody jodkowe – zawierają jod
  • wody bromkowe – zawierają brom

Szczególnym rodzajem wód podziemnych są wody radoczynne – zawierają promieniotwórczy radon

Wody mineralne wykorzystuje się przede wszystkim w celach spożywczych. Często używa się ich także w uzdrowiskach – do celów inhalacji lub kąpieli.

Ostatnim kryterium podziału wód jest twardość – na podstawie zawieranej ilości węglanów: wapnia i magnezu. Wody twarde (powyżej 0,2 g/l) pozostawiają charakterystyczne osady, w przeciwieństwie do wód miękkich (<0,08 g/l).