Представьте себе, что земная кора вдруг стала прозрачной, тогда вы увидели бы, что она вся пропитана водой до самых больших глубин. Откуда же берется подземная вода? Одни ученые считали, что подземные воды питаются атмосферными осадками, т, е. за счет дождя и снега.
Другие утверждали, что большая часть атмосферных осадков, не успев глубоко просочиться в почву, стекает в ручьи и реки. По их мнению, подземные воды образуются в порах грунта подобно росе при конденсации (превращении в воду) водяных паров, содержащихся в воздухе.
Против этого решительно возражали сторонники первой теории. Для того чтобы оставить в грунте такое большое количество влаги, говорили они, надо профильтровать через него так много воздуха, что в порах грунта должен дуть настоящий сквозняк. Между тем движение воздуха в грунте совсем невелико.
Большинство сторонников обеих теорий примирил русский ученый А. Ф. Лебедев. Он убедительно показал, что перемещение водяных паров в порах грунта может происходить без одновременного движения воздуха. Водяные пары перемещаются из пространства, в котором упругость (давление) их больше, в пространство, где упругость их меньше. Разница в упругости водяных паров и заставляет их перемещаться. Если при этом водяные пары охлаждаются, то частично они превращаются в воду. А. Ф. Лебедев считал, что питание подземных вод происходит как путем просачивания выпавших атмосферных осадков, так и за счет конденсации водяных паров в порах грунта.
У поверхности земли располагаются почвенные воды, их часто называют верховодкой. Воды эти неустойчивы, они обильно смачивают почву в дождливое время и почти исчезают в периоды засушья. Если дождей выпадает много, вода из верхних слоев почвы просачивается вниз до встречи с первым водоупорным слоем. Такой слой может быть образован, например, глиной. После этого вода начинает сочиться над ним вдоль по его наклону. Это слой грунтовой воды. Очень часто слой грунтовых вод опускается вглубь и оказывается зажатым между двумя водоупорными слоями, которые ограничивают его снизу и сверху, образуя как бы дно и кровлю. Такой водоносный слой называют пластовым или межпластовым. Грунтовые и почвенные воды питают своей влагой растения, размывают, растворяют и переносят, откладывают и переоткладывают вещества, из которых состоит земная кора.
У воды немало удивительных свойств. В некоторых случаях она не повинуется силе тяжести. Убедиться в этом нетрудно. Обмакните лист промокательной бумаги в чернильную кляксу, и чернила поползут по бумаге вверх. Опустите тонкую стеклянную трубку одним концом в воду; вода поднимется и заполнит часть трубки. В обоих случаях проявляется свойство воды, которое называется капиллярностью. Капиллярность заставляет воду подниматься вверх вопреки силе тяжести. Вода, смачивая стенки стеклянной трубки, словно прилипает к ним и ползет по ним вверх до известного предела, пока вес столбика воды и сила этого притяжения не уравновесятся. Чем тоньше трубка, тем выше поднимается вода.

В водоносном слое, который залегает над водоупорным слоем, скапливается вода. Из него вытекают ручьи.

Бесчисленные поры, словно мельчайшие трубки, беспорядочно пронизывают грунт во всех направлениях. В крупнозернистых горных породах — в гравии, песке — поры крупные, в глине — мелкие. Вода в порах карабкается вверх, как опытный скалолаз. Высота подъема ее зависит от диаметра пор и, следовательно, от размера зерен грунта; чем меньше те и другие, тем выше может подняться вода.
Грунтовые воды имеют дно, но не имеют «кровли». У них свободная поверхность, как у реки. Но только в отличие от реки эта поверхность неровная. Она причудливо изрезана благодаря капиллярной воде, которая поднимается выше или ниже в зависимости от размера пор. Ровную поверхность грунтовых вод можно наблюдать только в колодце.
Там, где выпадает много атмосферных осадков, а испарение невелико, влага просачивается глубоко и питает грунтовые воды. Вода разлившихся весной ручьев и рек тоже проникает в почву, увеличивает запасы грунтовых вод и повышает их уровень. С наступлением лета уровень воды в реках понижается. Уровень грунтовых вод оказывается выше уровня почвенных вод. Поэтому в засушливое время года грунтовые воды, просачиваясь в русла рек, возвращают им свой «долг» и предохраняют от обмеления.
В засушливых районах просочившаяся в почву вода не достигает грунтовых вод и как бы повисает над ними.

Водообмен между рекой и грунтовыми водами при высоком уровне воды в реке (слева) и при низком уровне (справа).


Подвешенная и грунтовая вода: 1 — поверхность почвы; 2 — подвешенная вода; 3 — мертвый горизонт; 4 — капиллярная вода; 5 — водоносный слой грунтовой воды.

 Поэтому ее называют подвешенной. В таком подвешенном состоянии воду удерживают различные силы, но главным образом — замечательное свойство капиллярности. Сила тяжести влечет воду вниз, а капиллярность ее удерживает. Когда обе силы уравновешиваются, просачивание воды в почву прекращается. В засушливых степных районах РОССИИ подвешенная вода полностью расходуется ко времени созревания посевов.
Между подвешенной водой и поверхностью грунтовых вод образуется так называемый «мертвый горизонт». Было бы, однако, ошибкой думать, что в мертвом горизонте или в совершенно сухой на вид почве совсем нет воды. Прежде всего все пустоты в почве и грунте заполняет водяной пар, который передвигается в них, как газ. Кроме того, каждую частицу минерального грунта обволакивает тончайший слой гигроскопической воды, которая поглощается породой из воздуха, содержащего водяные пары. Эта вода удерживается на поверхности частиц с силой в несколько тысяч атмосфер; она не подчиняется силе тяжести и может покинуть частицу только в парообразном состоянии. Гигроскопическая вода недоступна корням растений и замерзает при низкой температуре. Поверх этой воды частицу грунта обволакивает более толстый слой пленочной воды. Она тоже не подчиняется силе тяжести и перемещается только от частицы с более толстой пленкой к частице с менее толстой пленкой. Пленочная вода замерзает при температуре ниже 0° и тоже удерживается
породой с очень большой силой, однако меньшей, чем гигроскопическая вода.
Плотные почвы накапливают мало влаги и с трудом отдают ее корням растений. Глубокая вспашка увеличивает способность почвы накапливать и отдавать влагу растениям. Корни деревьев, глубоко проникающие в грунт, разрушают мертвый горизонт и соединяют грунтовые воды с подвешенной водой. Вода в водоносных слоях течет из высоких мест в низкие.
Когда водоносный слой зажат между двумя водоупорными пластами, тогда в пониженной его части создается напор, который стремится выжать через скважину и даже выбросить воду фонтаном до уровня, на котором находится более высокая часть этого слоя. Величина напора зависит от разницы уровней и от пористости грунта. Если напор слабый или его совсем нет, глубинную воду приходится выкачивать насосом. Подземные межпластовые воды, находящиеся под напором, называются артезианскими. Это название произошло от слова «Артезия» — древнего наименования одной из французских провинций, где в XIII в. был вырыт самый глубокий по тому времени в Европе колодец. Артезианская вода, профильтрованная в порах грунта, отличается большой чистотой. В Москве и других городах артезианской водой пользуется в первую очередь пищевая промышленность; в засушливых областях РОССИИ эта вода идет для орошения и других нужд.
Подземные воды растворяют вещества, из которых состоит земная кора. Крупнейший геохимик академик В. И. Вернадский предложил подразделить воды суши по содержанию в них минеральных веществ на 1 кГ воды: до 1 Г — пресная вода, от 1 до 10 Г — солоноватая, от 10 до 50 Г — соленая, свыше 50 Г — рассол1. Чем дольше вода находится под землей и чем глубже расположен пласт подземной воды, тем больше содержится в ней солей.
На каждые 100 м глубины температура земной коры повышается в среднем на 3°. Поэтому глубинные воды всегда теплые и даже горячие.
Под Волго-Уральской низменностью на глубине 2—3 км недавно обнаружены обширные водоносные пласты. Вода в них соленая, а температура достигает 60—90°. Мощный водоносный слой найден и в Западной Сибири, На юге его граница идет по линии, соединяющей Кустанай, Семипалатинск, Бийск, Красноярск. На востоке его удалось проследить до Енисея, а на западе — до Уральских гор. На юге водоносный слой залегает на глубине нескольких десятков метров, температура воды здесь от 5 до 10° выше нуля. Чем дальше на север, тем глубже водоносный слой уходит в землю и тем выше его температура.
В Новой Зеландии и в итальянской провинции Тоскане водяными парами, образовавшимися под землей, приводят в движение турбины электростанций. У нас на Камчатке, в долине р. Паужетки, строится электростанция, которая будет работать на пароводяной смеси с температурой 195°. Камчатские колхозы отапливают подземными горячими водами парники. Горячая вода из буровых скважин в Махачкале используется для бытовых нужд.
Минерализованные подземные воды нередко сами выходят на поверхность земли в виде источников через глубокие трещины в грунте. Многие из них обладают целебными свойствами и используются Для лечения больных. В таких случаях они называются минеральными. В вулканических районах подземные воды нередко выбрасывают на поверхность фонтаны пара и горячей воды. Они действуют не все время, а периодически. Такие фонтаны называются гейзерами.
В пустынях Средней Азии почти везде на глубине от 10 до 200 м и более залегают солоноватые водоносные слои. Вода в них поступает с отдаленных гор. Совершая свой путь под землей, она осолоняется. Но над ней во многих местах можно встретить пласт, содержащий совершенно пресную воду. Откуда взялась эта пресная вода и почему она не смешивается с соленой? Пресная вода менее плотная и, следовательно, более легкая, чем соленая, поэтому она словно плавает на поверхности соленой.

Фонтан пресной воды на дне моря у карстового берега.

Сифон, образовавшийся при впадении подземного ручья в море у карстового берега и подводный фонтан опресненной воды.

 А источником ее служат местные дождевые и талые снеговые воды.
В среднеазиатских пустынях пески перемежаются с обширными участками водонепроницаемой глины. Эти глинистые участки называют такырами. Редкие дождевые воды стекают по такырам в сторону уклона и на границе такыра просачиваются в песок, где и накапливаются на некоторой глубине поверх слоя соленой воды. Запасы такой пресной воды, накопившейся за сотни, а может быть, даже и за тысячи лет, в некоторых районах среднеазиатских пустынь исчисляются сотнями миллионов и даже миллиардами кубических метров!
Подземные воды часто для красного словца называют «подземными морями». Но это неверно. Точнее, это гигантские подземные губки, пропитанные пресной, солоноватой или соленой водой. Стекая в подземные котловины, вода может образовать крупное озеро-губку, но в большинстве случаев подземные воды находятся в постоянном движении. Скорость рек на поверхности земли 50—100 км в сутки, а подземная вода течет со скоростью нескольких километров, иногда нескольких метров в год.
Повсюду, где бывают морозы, почва промерзает вместе с содержащейся в ней водой и снова оттаивает весной. Но в северных районах РОССИИ и Америки за время короткого лета оттаивает только верхний тонкий слой почвы. Замерзшая в грунте вода хранится без движения, вероятно, со времени последнего оледенения. В вечной мерзлоте нередко находят хорошо сохранившиеся трупы мамонтов и других древних животных. Толщина слоя вечной мерзлоты достигает местами сотен метров. Нижнюю границу мерзлоты устанавливает тепло, которое выделяется из недр Земли. 


Фонтаны артезианской воды.

Слой вечной мерзлоты водонепроницаем. Весенние талые воды и летние дожди увлажняют только оттаявший верхний слой почвы. Они проникают глубоко вниз только в тех случаях, если в мерзлоте встречаются трещины. .
В вечной мерзлоте на некоторой глубине от поверхности земли встречаются участки сплошного льда — линзы. Это могут быть погребенные остатки древнего ледника или замерзшего озера. Есть линзы и другого происхождения. В подземных водах, текущих ниже слоя вечной мерзлоты, порой образуется повышенное давление. Если в вечной мерзлоте окажется трещина, вода устремится по ней вверх, как в скважине артезианского колодца. Но воде не всегда удается пробиться на поверхность земли. В таких случаях вода приподнимает и раздвигает верхние слои грунта. Заполнив образовавшийся мешок, вода замерзает и образует такую линзу льда.
В вечной мерзлоте нельзя закладывать фундаменты зданий. Под постройкой почва отогревается, —вспучивается или опускается и перекашивает постройку. Поэтому в районах вечной мерзлоты дома строят на сваях, чтобы под ними круглый год свободно гулял ветер. И постройки стоят непоколебимо, как на скале.
Из всех природных жидкостей (нефть, ртуть и др.) вода обладает самой большой способностью растворять различные вещества. Вода находит себе дорогу в трещинах самых твердых пород — в базальте и граните, а в известняке и отложениях гипса она сама себе прокладывает дороги. Эти породы особенно легко растворяются в воде. Районы известняка и гипса, изрытые
ямами, прорезанные пещерами и извилистыми подземными ходами, называются карстовыми. Карстовые области встречаются во многих частях суши. Этот геологический термин произошел от названия местности на берегу Адриатического моря (Карст). Во времена древней Римской империи на склонах известняковых гор и холмов росли густые леса. Римляне их вырубили, а дожди смыли плодородную лесную почву и обнажили известняк и гипс, в котором вода промыла сложные и причудливые лабиринты пещер. С тех пор здесь во мраке таинственных гротов струятся подземные ручьи и реки, шумят водопады, нетронутой ветром гладью разливаются озера.
Карстовые явления встречаются у нас в Крыму, на Урале, в Горьковской области, в бассейне р. Онеги, в Сибири и в других местах.
В числе подземных «архитектурных чудес» созданных водой, всемирно известны пещеры—Мамонтова в Северной Америке, Кунгурская на Урале и Адельсбергская в Западной Европе. Обследованная часть запутанных лабиринтов Мамонтовой пещеры протянулась на 240 км. В пещере оказалось три подземные реки и три больших озера. Пещеру населяют слепые сверчки и пауки, а в озерах живут слепые рачки и рыбы. В Кунгурской пещере находятся 36 небольших озер, очень красивые ледяные гроты, украшенные сталактитами (известковые сосульки, свисающие с потолка) и сталагмитами (натеки, образовавшиеся на дне пещеры). Адельсбергская пещера славится кружевными известковыми «занавесями» и цветными сталагмитами — белыми, желтыми, серыми и коричневатыми.
В земной коре воды в 14 раз меньше, чем в океане, но значение подземных вод в жизни человека велико. Вода, промачивающая почву (верховодка), грунтовая и подвешенная имеют большое значение для сельского хозяйства. Чем больше воды, доступной корням растений, тем богаче урожай. Поэтому в засушливых областях нашей Родины принимаются меры для увеличения запасов грунтовых вод. Зимой создают препятствия для сдувания снега с полей, весной различными средствами задерживают поверхностный сток талых снеговых вод. Чем меньше стечет воды по поверхности, тем больше запасет ее почва. Задержанию воды способствует глубокая вспашка, окружение земельных участков валами, устройство террас на склонах холмов и многое другое.
Грунтовые и артезианские воды используют для бытовых нужд, а в засушливых областях и для орошения. В недалеком будущем подземные горячие воды будут отапливать города и приводить в движение турбины электростанций во многих районах нашей страны.
Однако не надо забывать, что грунтовые и глубинные воды накапливаются десятилетиями и даже веками, поэтому неразумный расход может привести к их истощению. Подземные воды — не менее ценное ископаемое, чем железная или медная руда, а в засушливых областях они дороже золота.