Разделы гидрогеологии и методы исследований

Гидрогеология – наука о происхождении, условиях залегания, закономерностях распространения и движения подземных вод в земной коре, их физических свойствах, химическом, бактериальном и газовом составе, а также об их режиме и процессах взаимодействия с атмосферой, наземной гидросферой, биосферой, горными породами и веществом мантии Земли.

Гидрогеология является частью геологии и изучает подземные воды на основе анализа истории развития земной коры

Значение подземных вод, как одного из наиболее подвижных тел земной коры, исключительно велико во всех геологических процессах.

Очень важна роль подземных вод в практической деятельности человека. Издавна подземные воды используются для питья и хозяйственных целей.

Подземные воды широко используются для лечебных целей (различные минеральные воды).

Исключительная роль принадлежит подземным водам как источнику химического сырья. Из них во многих странах добывается бор, натрий, литий, магний, хлор, бром, йод, в меньших объёмах германий, рубидий, стронций, кальций, цезий, а также медь, цинк, уран, радий, вольфрам, мышьяк, сера и др.

Серьёзное значение подземные воды имеют как источник тепловой энергии.

В некоторых случаях подземные воды являются вредным фактором и играют отрицательную роль. При строительстве гидротехнических сооружений, тоннелей, метрополитенов, при разработке месторождений полезных ископаемых подземные воды часто осложняют ведение работ и требуют значительных капиталовложений для борьбы с ними.

Ценность воды, как природного минерала, связана с её исключительными свойствами:

исключительная подвижность;

способность к фазовым переходам в термодинамических условиях земной коры;

чрезвычайная химическая активность;

повсеместное распространение

Земная кора на 2/3 закрыта океанами, но оставшаяся 1/3 суши пропитана водой. По мнению ряда авторов количество подземных вод в земной коре соизмеримо с количеством поверхностных.

Исходя из практических целей, чаще учитывают только свободные и физически связанные воды верхней части земной коры до глубины 5 км. В этом случае доля подземных вод в общем балансе всех природных вод относительно невелика (табл. 1)

Объём гидросферы (по М.И.Львовичу)

Виды вод	Объём воды, тыс. км3	Доля, %
Мировой океан	1 370 333	93,96
Подземные воды	60 000	4,12
в т.ч. зоны активного водообмена	4 000	0,27
Ледники	24 000	1,65
Озёра		0,019
Почвенная влага		0,006
Пары атмосферы		0,001
Речные воды		0,0001
Вся гидросфера	1 454 193

 

Сложность и многообразие вод на Земле привели к тому, что это единственное природное тело изучается целым рядом наук. Кроме гидрогеологии, природные воды изучаются океанологией, гидрологией, метеорологией, гляциологией, гидравликойи в меньшей степени минералогией, вулканологией, почвоведением, петрографией и геохимией, с которыми гидрогеология имеет генетическую связь. Кроме того, являясь наукой геологической, она тесно связана с общей геологией, геоморфологией, динамической геологией, тектоникой, структурной геологией и учением о месторождениях полезных ископаемых методиками исследований.

 

Поиски и разведка подземных вод,

Разведочная гидрогеология,

Гидрогеология месторождений полезных ископаемых (рудных и нефтяных),

Мелиоративная гидрогеология,

В середине XIX в. в гидрогеологии разрабатываются законы движения подземных вод. Так, в 1856 г. французский инженер Анри Дарси (1803-1858 гг.), занимаясь проблемами водоснабжения города Дижона, установил основной закон фильтрации в пористом грунте, известном сейчас как линейный закон фильтрации, или закон Дарси, являющийся базовым в подземной гидродинамике.

В 1857 г. другой французский инженер-гидравлик Ж. Дюпюи приме­нил закон Дарси к исследованию движения подземных вод в во­доносных горизонтах и вывел ряд важных уравнений для опреде­ления водопритоков в скважинах.

Несколько позже немецкий гид­равлик Тим и австриец Ф. Форхгеймер широко использовали математические методы изучения законов движения подземных вод.

Наряду с гидродинамикой ведется глубокое изучение и хи­мии воды. В этом плане нельзя не назвать величайшее откры­тие XIX в., посвященное закону периодической системы элементов великого русского химика Д.И. Менделеева. Этот закон является одним из фундаментальных в области естествознания и является основополагающим для правильного понимания химии всех водных растворов земли и базовым для геохимии в целом и гидрогеохимии в частности.

Таким образом, ко второй половине XIX в. сформировались достаточно верные представления о происхождении, составе и рас­пространении подземных вод в верхней части земной коры, сфор­мулированы первые законы, заложены основы изучения региональ­ных закономерностей, появились первые классификации подземных вод.

 

На водоснабжение за счет подземных вод переводятся крупные города — Париж, Вена, Берлин, Чикаго и др. В это же время уже широко используются и изучаются минеральные, карстовые и арте­зианские воды. Появились первые гидрогеологические карты. Все это позволяет, заключить, что становление гидрогеологии, как на­уки, состоялась именно в это время. Об этом же свидетель­ствует и тот факт, что в конце XIX в. выходят на французском (А. Добре, 1887 г.) и немецком (И. Гааз, 1895 г.) языках книги, посвященные систематизированному изложению основ учения о подземных водах.

В дальнейшем гидрогеология развивалась по нескольким направ­лениям: 1) региональному — исследовались все новые и новые бассейны подземных вод в разных странах мира и геологических структурах;

2) генетическому — в научный анализ включались воды все более и более глубоких горизонтов: соленые, рассолы, термальные;

3) гидродинамическому — вывод новых формул и выявление закономерностей движения воды разных видов в различ­ных геологических структурах, математическое моделирование;

4) гидрогеохимическому — исследование состава и условий форми­рования разнообразных типов воды, использование полученных данных в решении различных задач, включая поиски полезных ископаемых;

5) палеогидрогеологическому — история воды и ее геологическая роль;

6) экологическому — охрана, рациональное использование и управление подземными водами. Это последнее направление исследований только начинается. Остановимся только на некоторых наиболее общих достижениях гидрогеологии до обоб­щающих работ В. И. Вернадского.

Все более глубокое проникновение в недра земли вскрыло широкое развитие в них соленых вод и рассолов, генезис которых нельзя было объяснить инфильтрацией атмосферных осадков. Возникла идея наличия в земных недрах ископаемых вод морского генезиса. Эта идея высказана независимо друг от друга австрийским геологом Г. Гёфером (1902 г.), русским академиком Н.И. Андрусовым (1908 г.) и американским гидрологом А. Ч. Лейном (1908 г.). Так, идея древних мыслителей о проникновении морской воды получила новое рождение, правда, на принципиально новой основе. Ископа­емые воды — воды древних морей попадают в недра Земли вместе с захоронением донных отложений и сохраняются в течение геоло­гически длительного времени как реликт морских бассейнов про­шлых геологических эпох. Как видим, механизм проникновения морской воды в недра оказался совершенно не таким, как представ­лял себе А. Кирхер.

Идея ископаемых морских вод получила развитие в работах многих исследователей и в настоящее время является базовой для понимания многих геологических явлений, и процессов, протекаю­щих в земной коре. На основе этой идеи развилось представление о принципиально новом геологическом круговороте воды в земной коре. Это представление наиболее полно развито русскими иссле­дователями А.Е. Ходьковым, Г.Ю. Валуконисом, А.Н. Павловым, С.Л. Шварцевым.

Разработка идеи геологического круговорота воды поднимает гидрогеологию на принципиально иной уровень. Собственно говоря, только с этого времени гидрогеология стала по настоящему геоло­гической наукой, ибо ранее она являлась частью гидрологии и изучала подземную ветвь климатического (гидрологического) кру­говорота. С этого же времени она становится наукой о подземной гидросфере.

Идея ископаемых морских вод рождалась также не без споров и критики оппонентов. Явное несоответствие состава и солености захороненных вод современным морским водам вызывает и сегодня противоречивые мнения. Одни исследователи (Р. Миллс, Р. Уэллс, В.А. Сулин, Е.В. Посохов и др.) развивали идеи о том, что древние моря были иного, чем современные, состава, близкого к подземным рассолам; другие (Д. Роджерс, Л. Мразек, Р. Нил, А.Д. Архангель­ский, Н.С. Курнаков, М.Г. Валяшко и др.) выдвинули идею о метаморфизации (направленном изменении состава) морских вод в процессе их захоронения и взаимодействия с горными породами. Однако механизмы такого взаимодействия и масштабы их проявле­ния до конца не поняты до сих пор.

Другие типы воды, встречающиеся в районах активного вулка­низма, горячие с выделением газов (гейзеры) издавна также инте­ресовали исследователей. Однако только в начале XX в. (1902 г.) была предложена австрийским геологом Э. Зюссом (1831-1914 гг.) более или менее обоснованная гипотеза ювенилъных вод. Так он назвал воды, генерируемые в глубинах Земли из водорода и кис­лорода. Ювенильные, т.е. первозданные воды, в отличие от вадозных (мелких или поступающих с поверхности земли, экзогенных) выделяются из магмы при ее остывании, т.е. по своей природе являются эндогенными, и через нарушения или вулканы включают­ся в круговорот.

Концепция ювенильных вод также подверглась резкой критике. В частности, швейцарский геолог Л. Брун (1911 г.) обосновал поло­жение о безводности вулканов, точнее он приписывал воде вулкани­ческого происхождения вторичный генезис, обусловленный ее зах­ватом из вмещающих горных пород. Г. Гёфер (1925 г.) полагал, что ювенильна не вода, а только ее теплота. Многочисленные попыт­ки исследователей отыскать ювенильную воду в природе пока не увенчались успехом. По последним данным В. И. Ферронского и В. А. Полякова, основанным на изотопных данных водорода и кис­лорода, доля ювенильной воды в вулканах не превышает 5%.

В отличие от ювенильной гипотезы все большее значение при­обретает учение о возрожденных водах, развитое русским ученым А.М. Овчинниковым (1904-1969). Возрожденные воды образуются при метаморфизме осадочных или магматических горных пород из связанных вод, которые в условиях перекристаллизации породы переходят в свободные и включаются в геологический круговорот. Источником возрожденных вод являются воды конституционные, кристаллизационные, цеолитные, гигроскопические, пленочные, ка­пиллярные и частично свободные тонких пор и капилляров.

Региональные закономерности подземных вод исследовались во многих странах, но наибольших успехов в этом направлении добились, пожалуй, русские исследователи. К первым широким обобщениям этого плана относятся работы С.Н. Никитина (1900 г.), Н.Ф. Погребова (1902 г.), И.В. Мушкетова (1905 г.) и других исследователей, которые дали представление о закономер­ностях распространения и географической зональности подземных вод, их составе, глубине залегания и тем самым заложили реальные основы региональной гидрогеологии. Особенно велика роль С.Н. Никитина, которого по праву называют основоположником отечественной гидрогеологии. В его понимании, гидрогеология — наука "о подземных водах, их происхождении, условиях залегания и распределении в недрах земных, их движении и выхода на поверхность в виде источников". Основным законом гидрогеологии С.Н. Никитин считал круговорот воды, а также ее зональность (гидродинамическая и гидрогеохимическая). Работы великого русского ученого-почвоведа В. В. Докучаева о зональности почв оказали глубокое влияние на развитие учения о зональности грунтовых вод, которое с успехом развивали П.В. Отоцкий, B.C. Ильин, Ф.П. Саваренский, Г.Н. Каменский и др.

Среди работ начала XX в. особняком стоят исследования аме­риканского геохимика Ф.У. Кларка» впервые рассчитавшего средние содержания химических элементов в горных породах, морских и поверхностных водах. Тем самым в научный обиход была введена новая константа, характеризующая состав земных объектов, — кларк, играющая важную роль и в гидрогеологии.

В это же время значительный вклад в науку о подземных водах внесли французские (А. Маже, Л. Поше, Р. Чало, Ж. Буссинеск и др.), немецкие (К. Кейльгак, Е. Принц, Е. Люгер и др.), американские (Ч. Слихтер, Д. Мид, О. Мейнцер и др.), русские (П.Н. Чирвинокий, П.И. Бутов, Н.Ф. Погребов, А.Н. Семихатов, А.Ф. Лебедев, Ф.П. Саваренский, Г.Н. Каменский и др.) иссле­дователи. Особенно популярными были работы К. Кейльгака "Подземные воды и источники суши", выдержавшая три издания (1912» 1917, 1935 гг.), Е. Принца "Гидрогеология" (1922 г.) и О.Е Мейнцера "Гидрогеологические понятия, определения и термины" (1923 г.). Эти и другие труды зарубежных ученых (Ч. Слихтера, В. Рихтера, Г. Гёфера) были переведены и изданы на русском языке.

Среди работ русских исследователей можно назвать первый учебник по гидрогеологии П.Н. Чирвинского [19], "Подземные воды СССР", А.Н. Семихатова (1925 г.), "Краткий курс общей гидрогеологии" O.K. Ланге (1931 г.) и др. Однако наибольшее значение имела книга А.Ф. Лебедева "Почвенные и грунтовые воды" (1936 г.), в которой он поставил последнюю точку в тысячелетней дискуссии о механизмах проникновения воды в Зем­лю: он доказал, что подземные воды передвигаются под действием не только силы тяжести, но также и сил молекулярного притяжения в виде пленочной или парообразной воды, Им же было разработано учение о видах воды в горных породах, сохраняющее свое значение и до настоящего времени.

В 30-е годы наиболее выдающиеся работы, без всякого сомне­ния, созданы одним из наиболее гениальных людей XX в. — русским ученым В.И. Вернадским (1863-1945 гг.). Его труд "Ис­тория природных вод", опубликованный в 1933-1936 гг. по широте и глубине охвата гидрогеологических проблем намного превосходит все когда-либо издававшиеся работы и занимает выда­ющееся место в науке в целом. В этой работе В.И. Вернадский наиболее полно показал значение подземных вод в геологической истории Земли. На основании большого количества эмпирических фактов он обосновал положение о единстве природных вод, что является крупнейшим вкладом в мировую науку. Он же первый обосновал принцип постоянства химического состава вод в определенную геологическую эпоху и создал целое новое направление в изучении природного равновесия: вода—горная порода—газы—живое вещество. В. И. Вернадский первый показал связь химического состава вод с развитием жизни на Земле и поэтому по праву считается основоположником особой отрасли знаний — гидрогеохимии, кото­рая изучает природные воды как подвижные системы, находящиеся в равновесии с другими составляющими земной коры.

Идеи В. И. Вернадского, хотя и получили широкое признание во всем мире, но они до сих пор осознаны не полностью и не все из них вошли в обиход повседневной научной работы. Его книга "История природных вод" — современная энциклопедия по гео­логии воды признается важнейшим трудом, завершающим станов­ление современной гидрогеологии. В СССР идеи В. И. Вер­надского наиболее полно развивали крупные ученые Н.Н. Славянов, Б.Л. Личков, А.М. Овчинников, Н.И. Толстихин, Е.В. Пиннекер, А. И. Перелъман, И. К. Зайцев, Е.А. Басков, П.А. Удодов и многие другие.

 

 

 

 

S бас

где Q — средний годовой расход, м ³ / с; S бac — водосборная площадь речного бассейна, км².

2. Нормой стока называется среднеарифметическая вели­чина речного стока за продолжительный период наблюдения (40— 50 лет).

3. Коэффициентом стока L называется отношение величины стока у за какой-либо период к количеству атмосферных осадков х за тот же период (обычно за год): у

L = ---------- 100 %

х

 

Здесь сток у и количество атмосферных осадков х выражены высотой слоя воды в миллиметрах. Поэтому коэффициент стока выражается в отвлеченных единицах или в процентах.

Режим питания реки, распределение стока в течение года, а также величину подземного стока можно определить путем анализа гидро­графа реки. Гидрографом называется график изменения во времени расхода воды за год или часть года (сезон, половодье или паводок)

 

Гидрогеология – наука о происхождении, условиях залегания, закономерностях распространения и движения подземных вод в земной коре, их физических свойствах, химическом, бактериальном и газовом составе, а также об их режиме и процессах взаимодействия с атмосферой, наземной гидросферой, биосферой, горными породами и веществом мантии Земли.

Гидрогеология является частью геологии и изучает подземные воды на основе анализа истории развития земной коры

Значение подземных вод, как одного из наиболее подвижных тел земной коры, исключительно велико во всех геологических процессах.

Очень важна роль подземных вод в практической деятельности человека. Издавна подземные воды используются для питья и хозяйственных целей.

Подземные воды широко используются для лечебных целей (различные минеральные воды).

Исключительная роль принадлежит подземным водам как источнику химического сырья. Из них во многих странах добывается бор, натрий, литий, магний, хлор, бром, йод, в меньших объёмах германий, рубидий, стронций, кальций, цезий, а также медь, цинк, уран, радий, вольфрам, мышьяк, сера и др.

Серьёзное значение подземные воды имеют как источник тепловой энергии.

В некоторых случаях подземные воды являются вредным фактором и играют отрицательную роль. При строительстве гидротехнических сооружений, тоннелей, метрополитенов, при разработке месторождений полезных ископаемых подземные воды часто осложняют ведение работ и требуют значительных капиталовложений для борьбы с ними.

Ценность воды, как природного минерала, связана с её исключительными свойствами:

исключительная подвижность;

способность к фазовым переходам в термодинамических условиях земной коры;

чрезвычайная химическая активность;

повсеместное распространение

Земная кора на 2/3 закрыта океанами, но оставшаяся 1/3 суши пропитана водой. По мнению ряда авторов количество подземных вод в земной коре соизмеримо с количеством поверхностных.

Исходя из практических целей, чаще учитывают только свободные и физически связанные воды верхней части земной коры до глубины 5 км. В этом случае доля подземных вод в общем балансе всех природных вод относительно невелика (табл. 1)

Объём гидросферы (по М.И.Львовичу)

Виды вод	Объём воды, тыс. км3	Доля, %
Мировой океан	1 370 333	93,96
Подземные воды	60 000	4,12
в т.ч. зоны активного водообмена	4 000	0,27
Ледники	24 000	1,65
Озёра		0,019
Почвенная влага		0,006
Пары атмосферы		0,001
Речные воды		0,0001
Вся гидросфера	1 454 193

 

Сложность и многообразие вод на Земле привели к тому, что это единственное природное тело изучается целым рядом наук. Кроме гидрогеологии, природные воды изучаются океанологией, гидрологией, метеорологией, гляциологией, гидравликойи в меньшей степени минералогией, вулканологией, почвоведением, петрографией и геохимией, с которыми гидрогеология имеет генетическую связь. Кроме того, являясь наукой геологической, она тесно связана с общей геологией, геоморфологией, динамической геологией, тектоникой, структурной геологией и учением о месторождениях полезных ископаемых методиками исследований.

 

Разделы гидрогеологии и методы исследований

Внутри гидрогеологии развивается целый ряд самостоятельных научных направлений, которые можно разбить на две группы.

К первой группе относятся общая гидрогеология, гидрогеодинамика, гидрогеохимия, палеогидрогеология, региональная гидрогеология и экологическая гидрогеология.

Общая гидрогеология рассматривает вопросы происхождения, формирования, геологической роли подземных вод, их физические и химические свойства, изучает структуру, состав и строение подземной гидросферы.

Гидрогеодинамика исследует закономерности движения подземных вод под влиянием искуственных и естественных факторов: фильтрацию, конвекцию, диффузию, осмос, капиллярный перенос с учётом конкретной структуры подземного потока, определяемого геологическими особенностями территории.

Гидрогеохимия изучает особенности миграции атомов химических элементов в подземной гидросфере, процессы изменения состава подземных вод и их обогащение разнообразными элементами при взаимодействии с горными породами в течение длительной истории геологического развития водонапорных систем. На результатах изучения условий миграции и накопления отдельных химических элементов основаны широко применяющиеся гидрогеохимические методы поисков. Важнейшим вопросом гидрогеохимии является выявление путей формирования разнообразных геохимических типов подземных вод, а также прогноз изменения их качества. Региональная гидрогеология – наука о связи пространственно-временного распределения подземных вод в земной коре с характером и историей развития геологических структур. Она занимается изучением закономерностей условий залегания, распространения и формирования подземных вод в конкретных регионах. Проблемный вопрос – роль геологической структуры в формировании ресурсов и состава подземных вод в конкретном регионе.

Палеогидрогеология изучает былые подземные гидросферы в тесной связи со становлением и развитием литосферы. Она же восстанавливает палеогидрогеологические условия конкретной территории, включая геологическую роль воды в формировании месторождений полезных ископаемых.

Экологическая гидрогеология делает первые шаги. Строительство водохранилищ, вырубка лесов, распашка земель, разработка месторождений полезных ископаемых и другие виды деятельности человека во многом изменили режим и состав подземной гидросферы, масштабы которого не всегда поддаются простому учёту. Возникла проблема глобального управления подземной гидросферой с целью оценки масштабов возможных изменений геологической и окружающей среды

Ко второй группе направлений гидрогеологии относятся прикладные дисциплины, определяемые запросами производства. Сюда относятся: