Четвертый семестр / Четвертый семестр / Гидрогеология / Шварцев С.Л. Общая гидрогеология

2

меняются роль и значение гидрогеолога, который должен не только искать и разведывать месторождения подземных вод, но и оценивать роль и значения

естественного и техногенного изменения водного режима территории на всю

окружающую среду, разрабатывать прогнозы таких изменений.

Имеются и другие более частные предпосылки, которые требуют новых подходов к учебникам. Дело в том, что по новым учебным планам для

бакалавров геологического направления введен курс гидрогеологии и инженерной геологии, в котором студенты знакомятся со многими

положениями практической гидрогеологии. Поэтому на более высоком

(третьем) профессиональном уровне появля ется возможность читать более сложный, чем делалось ранее, курс общей гидрогеологии. Именно такай

базовый курс с учетом уже ранее полученных студентами знаний и

предлагается тем, кто выбрал себе профессию гидрогеолога.

Из сказанного ясно, что данный учебник не заменяет уже существующие, а развивает и дополняет многие положения, изложенные в них. Этот учебник

предназначен для лиц, уже знакомых с некоторыми основами гидрогеологии. Он более труден для восприятия, так как более сложен по

структуре изложения и перечню излагаемых понятий и вопросов. Он

отражает тот новый уровень знаний о подземной гидросфере, который сложился к настоящему времени.

Тем не менее учитывая, что этот учебник для студентов вузов в нем

даны формулировки основных базовых определений и поня тий, используемых в гидрогеологии, описаны главные законы, постулаты, закономерности,

процессы и явления, необходимые для усвоения материала. При этом первые

главы написаны более просто и доступно, чем последующие. Постепенно изложение усложняется, а фактов и закономерностей приводится все больше,

простые понятия заменяются более сложными, описание явлений углубляется.

Поэтому рекомендуется изучать материал учебника в той последовательности, как он изложен, не пропуская разделов. Это значительно облегчит задачу

усвоения материала. В последних главах изложение ведется не столько в

форме констатации фактов и положений, а в форме приглашения студента к размышлению и анализу фактов или явлений. По своей сути это не просто

описание содержания гидрогеологии и методов решения гидрогеологических

проблем, а введение в изучение теоретических основ гидрогеологии.

Автор выражает глубокую благодарность рецензентам профессорам В.А. Кирюхину, В.М. Матусевичу, В.М. Швецу, Н.М. Рассказову и А.Р.

Курчикову за практические замечания, высказанные в процессе подготовки учебника.

4

за счет подземных вод. Последние являются также основным источником городского хозяйственно-питьевого водоснабжения в большинстве европейских

стран. Так, по данным Европейской экономической комиссии, в Австрии,

Бельгии, Венгрии, Дании, Нидерландах, Румынии, Швейцарии и Югославии доля подземных вод в общем балансе хозяйственно-питьевого водоснабжения

составляет более 70%; в Болгарии, Италии, Португалии, Словакии, ФРГ и

Чехии — от 50 до 70%. А для таких стран, как Дания. Мальта, Саудовская Аравия, Кувейт, подземные воды являются единственным источником водо-

снабжения. Полностью или почти полностью на подземных водах основано

водоснабжение таких крупных городов Европы, как Будапешт ,. Вена, Гамбург, Копенгаген, Мюнхен, Рим и др. [6].

На территории бывшего СССР также почти 60% городов имеют

исключительно подземные источники водоснабжения, порядка 20% смешанные (подземные и поверхностные) и только 20% — поверхностные.

Подземное водоснабжение имеют не только малые и средние города

(Красноярск, Новокузнецк, Вильнюс, Томск, Чита), но и многие крупные, с населением более 1 млн. Так, преимущественно подземными водами

удовлетворяется потребность в воде питьевого качества таких крупных

городов, как Алма-Ата, Баку, Ереван, Киев, Минск, Тбилиси, Ташкент , Харьков, Ашхабад и др.

Подземные воды широко используются для лечебных целей. Так, в

СССР в 1981 г. добыча минеральных вод составила более 1,2 млн м3. В это же время насчитывалось 273 курорта и санатория и свыше 130 заводов

розлива.

Исключительная роль принадлежит подземным водам как источнику химического сырья. Из подземных вод во многих странах давно добывается

бор, натрий, магний, литий, хлор, бром, йод, в меньших объемах добывают

германий, рубидий, стронций, кальций, цезий, на отдельных месторождениях также медь, цинк, уран, радий, вольфрам , мышьяк, серу и др.

Серьезное значение имеют подземные воды как источник тепловой

энергии. Прогнозные ресурсы термальных вод с температурой 40-200° С только на территории бывшего СССР составляют 250 м3/с, из них в

Западной Сибири 180 м3/с. С использованием тепла подземных вод

построены Паужетская геотермальная электростанция на Камчатке, осуществлено отопление микрорайонов в Тбилиси, Махачкале, Грозном,

Зугдиди и др. Теплоснабжение за счет термальных вод частично

осуществляется на Камчатке, в Тюменской и Омской областях, Бурятии, Казахстане и т.д.

Во многих 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 ее исключительными свойствами. Главные среди них следующие:

6

1)исключительная подвижность;

2)способность к фазовым переходам в термодинамических ус-

ловиях земной коры;

3) чрезвычайная химическая активность: нет в условиях земной коры природных тел, которые в той или иной мере не растворялись

бы в природных водах;

4) "всюдность" (по выражению В.И. Вернадского) является одним из самых удивительных свойств воды. Нет на Земле уголка,

где бы не было воды в той или иной форме.

Наша земная кора представляет собой своеобразный океан, из которого выступают небольшие участки суши. И это потому, что более 2/3 поверхности

Земли занимают океаны, а главное потому, что везде в осадочной оболочке

имеются целые подземные "моря", пропитывающие горные породы. По мнению ряда авторов, количество подземных вод в земной коре соизмеримо с

количеством поверхностных. По данным американского исследователя А. Пол-

дерваарта, масса всей подземной воды в породах земной коры составляет 840 млн. км3. Еще большую величину приводит русский ученый В.Ф. Дерпгольц —

1050 млн. км3, которая соизмерима с количеством воды Мирового океана —

1370 млн. км3 [12].

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 и составляет 4,12%. (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Об ъе м ги д р ос фе р ы и и нте нс и вн ос т ь в о до о б ме на (п о М . И. Л ь в ов и чу )

7

Исключительность перечисленных свойств воды делает ее одним из важнейших природных объектов. Сложность и многообразие вод на Земле привели к тому, что это единственное природное тело изучается целым рядом

наук. Кроме гидрогеологии, о которой речь впереди, природные воды изучаются океанологией, гидрологией, метеорологией, гляциологией,

гидравликой, в меньшей степени минералогией, вулканологией, почвоведением, петрографией, геохимией и многими другими науками, с которыми гидрогеология имеет генетическую связь. Кроме того, являясь геологической наукой, гидрогеология тесно связана с общей геологией, геоморфологией, динамической геологией, тектоникой, структурной геологией, учением о месторождениях полезных ископаемых и многими другими. С этими геологическими науками гидрогеологию объединяет, прежде всего, тесная связь горных пород с подземными водами и общность методики исследований.

В свою очередь, внутри гидрогеологии развивается целый ряд самостоятельных научных направлений, оформившихся в самостоятельные научные дисциплины, которые можно разбить на две группы, определяющие соответственно ее теоретическое и методологическое содержание. К первой

группе относятся общая геология, гидрогеодинамика, гидрогеохимия, палеогидрогеология, региональная гидрогеология.

Общая гидрогеология изучает структуру, состав, строение и наиболее общие свойства подземной гидросферы, закономерности размещения и существования разных видов воды в недрах земли, роль воды в геологической истории Земли и происхождении жизни на Земле. Такой подход к общей гидрогеологии наиболее полно сформулирован известным исследователем Сибири Е.В. Пиннекером в работе [12] и наиболее соответствует современному уровню знаний.

Гидрогеодинамика исследует закономерности движения различных форм подземных вод : фильтрацию, конвекцию, диффузию, осмос, капиллярный перенос и т.д. с учетом конкретной структуры подземного потока, определяемого не в последнюю очередь геологическими особенностями территории.

Гидрогеохимия обеспечивает изучение особенностей миграции атомов

химических элементов в подземной гидросфере на базе эволюционного развития системы вода —порода —газ —органическое вещество. Центральным

вопросом гидрогеохимии является выявление путей формирования разнообразных геохимических типов под земных вод, а также прогноз изменения их качества. Последнее стало особенно актуальным в последние десятилетия в связи с ухудшающейся экологической ситуацией на Земле.

Региональная гидрогеология — наука о связи пространственно-временного распределения подземных вод в земной коре с характером и историей развития геологических структур. Проблемный вопрос в данном случае — роль геологической структуры в формировании ресурсов и состава подземных вод в конкретном регионе.

8

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. Строительство водохранилищ, вырубка

лесов, распашка земель, разработка месторождений полезных ископаемых — эти и другие виды деятельности человека во многом изменили режим и состав

подземной гидросферы, масштабы которого не всегда поддаются простому

учету. Возникла проблема глобального управления подземной гидросферой с целью оценки масштабов возможных изменений геологической и

окружающей среды. Эта задача только еще делающей первые шаги

экологической гидрогеологии.

Перечисленные фундаментальные разделы современной гидрогеологии, к которым можно добавить учение о минеральных водах, учение о режиме и

балансе подземных вод, гидрогеотермию, тесно связаны между собой и составляют ее теоретическую основу.

Ко второй группе разделов гидрогеологии относятся дисциплины,

непосредственно определяемые запросами производства: поиски и разведка подземных вод, разведочная гидрогеология, гидрогеология месторождений

полезных ископаемых (рудных и нефтяных), мелиоративная гидрогеология,

гидрогеохимические поиски месторождений полезных ископаемых, гидрогеология городов, охрана подземных вод и др. Все эти направления

методологически тесно связаны и базируются на методах, применяемых в

других науках о Земле и трансформированных к изучению подземной гидросферы. В значительной мере они заимствованы из геологии (съемка, кар-

тирование, палеогидрогеологический анализ), гидравлики, геохимии,

исторической геологии.

Картирование территории — один из основных методологических приемов в гидрогеологии, применяемых прежде всего7 для изучения региональных

закономерностей. Вместе с тем подземная гидросфера — продукт длительного геологического развития, и ее изучение невозможно без исторического

(генетического) подхода, который позволяет проследить этапы развития

подземной гидросферы и на базе теоретических обобщений разработать прогноз ее изменений.

Вода отличается от других геологических объектов постоянным движением,

участием в круговоротах. Формы ее движения различны (гравитация, диффузия, фильтрация, конвекция, осмос, капиллярный перенос и т.д./, но в

общем виде являются частью геологического движения, познание которого

невозможно без математического, термодинамического, физико-химического, гидравлического моделирования. Моделирование, как методология познания

общего путем его разложения на отдельные составляющие, играет все

возрастающую роль в гидрогеологии. Особенно велики перспективы моделирования с применением ЭВМ.

9

Подземная гидросфера в земной коре теснейшим образом взаимодействует с литосферой, биосферой, атмосферой, а также мантией и космосом. Взаимодействие этих важнейших составляющих приводит к направленной эволюции, образованию новых продуктов в виде минералов, руд, пород, геохимических типов воды. Как выяснилось в самое последнее время, система вода —порода, например, обладает свойствами

самоорганизации, т.е. относится к типу синер-гетических [20]. Это же, по мнению Ф.А. Летникова, относится и ко многим другим геологическим системам. Поэтому методологические приемы синергетики должны стать одними из главных в арсенале гидрогеологии.

Гидрогеология, как и другие геологические науки, опирается на принцип актуализма, гласящий, что "настоящее — ключ к позна нию прошлого", а также на методы фундаментальных наук — математические, физические, химические, биологические, значение которых для специалиста —

гидрогеолога обязательно. Для анализа и оценки гидрогеологических явлений и процессов применяются многие частные методы (опытнофильтрационные работы, режимные наблюдения, мониторинг подземных вод лабора торные работы и др.).

Уже изложенное показывает, что объектом гидрогеологии служит подземная гидросфера, которую необходимо рассматривать в тесном единстве с другими составляющими земной коры — горными породами, газами,

органическим веществом и, конечно же, деятельностью человека, который" по выражению В.И. Вернадского стал геологической силой.

К такому пониманию содержания гидрогеологии ученые пришли не сразу. Долгое время считалось, что гидрогеология изучает не подземную гидросферу, а подземные воды, что и отражено в приведенном выше определении Ф.П. Саваренского, который к последним относил "капельножидкую воду, заполняющую пустоты и поры в горных породах, способную к перемещению в них и вытеканию или извлечению из них" [14, с. 13]. Такое же

понимание подземных вод можно найти в работах немецких (К. Кейльгак, Р. Кене, Е. Принц, В. Рихтер), французских (А. Шеллер, Ж. Марга, Ж. Кастани), американских (О.Е. Мейнцер, Ч. Толмен, Д.К. Тодд , С. Дэвис, Р. де Уист), бельгийский (П. Фурмарье) и других исследователей.. Но подземные воды, т.е. капельно-жидкая вода, — это только часть подземной гидросферы и, как выясняется, не самая ее большая часть. Все это позволило Е.В. Пиннекеру пересмотреть содержание гидрогеологии. И это не прихоть

исследователя, а глубокий анализ объективного состояния конкретной ситуации.

Дело в том, что во второй половине XX в. гидрогеология вступила в качественно новый этап развития, связанный с освоением огромной массы нового фактического материала, пересмотром многих теоретических положений, переходом в своем развитии от ста-

10

дии собирания фактов к их объяснению и разработке прогнозов. Тем самым гидрогеология из учения о явлениях превратилась в науку о процессах и их закономерностях. Предметом гидрогеологии стали не просто подземные воды, а подземная гидросфера в целом^. Все это и позволило дать новое определение гидрогеологии, которое в несколько сокращенном виде формулируется следующим образом. Гидрогеология — это наука о

подземной гидросфере, ее генезисе, истории развития, составе, закономер - ностях пространственного распределения и формирования, взаимодействия с другими оболочками земной земной коры, охраны, управления и использования [12].

1. 2. ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ ЖИДКОЙ ВОДЫ И ЕЕ НЕКОТОРЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

1.2.1. Необычность ф изических свойств воды

Вода — одно из самых удивительных соединений на Земле — давно уже поражает исследователей необычностью многих своих физических свойств. Так, по результатам вычислений Д. Херда [17], температура плавления воды должна была составить по аналогии с температурой плавления гидридов других элементов, минус 120° С, а не 0° С, как это наблюдается на самом деле. По тем же соображениям ее температура кипения должна быть равной минус 112° С, а фактически она равна +100° С.

Не менее удивительным является тот факт, что плавление воды сопровождается не расширением, как у подавляющего большинства соединений,

а сжатием. Наибольшей плотностью, а следовательно, и наименьшим удельным объемом вода обладает при температуре, равной 4° С (табл. 1.2), а не

при 0° С, как это можно было бы предположить. При повышении температуры от 0 до 4° С плотность воды возрастает, и только при больших температурах она начинает уменьшаться.

Из всех жидкостей вода — самый могучий растворитель: она растворяет почти все вещества, кроме жиров и углеводородов. Это ее свойство обусловлено, в частности, ее исключительной диэлектрической проницаемостью, равной 80 при комнатной температуре.

их взаимного притяжения в воздухе. Вследствие этого ионы в воде отделяются от кристалла соли значительно легче, чем если бы кристалл находился в воздухе.

Удивительные свойства воды можно было бы перечислять и дальше: к ним

относятся необычная зависимость вязкости воды от давления, большая теплоемкость воды, ее большое поверхностное

11