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

с разной структурой. При всех температурах вода остается гомогенной и только средние взаимные расположения молекул в большей или меньшей степени напоминают воду I, II или III.

О.Я. Самойлов [15] на основании экспериментальных работ и теоретических

расчетов предложил одноструктурную модель жидкости, согласно которой каждая молекула воды соединена водородными связями с четырьмя соседними

молекулами, расположенными по углам тетраэдра. При этом расположение молекул воды в непосредственной близости друг от друга соответствует по форме льдо-подобному каркасу, слегка нарушенному тепловым движением, пустоты которого частично заполнены молекулами воды. При таком подходе в жидкой воде нельзя выделить структурно разнородные участки. Вода в этом случае представляет собой единое целое, любые элементарные объемы которой в каждый данный момент структурно соответствуют друг другу. По последним данным, модель О.Я. Самойлова лучше других согласуется с экспериментальными данными и более реально характеризует строение воды.

Несколько иной подход к оценке природы водородных связей и существующих в воде агрегатов ее молекул предложил итальянский исследователь М. Аджено. Основываясь на представлениях квантовой механики, он полагает, что связь между молекулами воды осуществляется с

помощью водородных мостиков, которые образуют кольцевые структуры. В таком кольце водородных мостиков нельзя разрушить один из них, не затронув

при этом состояние других. Тем самым существующая в кольце связь в полной мере соответствует понятию коллективной связи.

Кольцевые образования могут создавать агрегаты молекул воды различной конфигурации (рис. 1.4). Возможность возникновения в жидкой воде такого рода агрегатов М. Аджено объясняет тем, что молекулы воды в состоянии участвовать не в четырех водородных связях, как указывалось выше, а лишь в двух, что значительно упрощает схему строения воды и объясняет такие ее свойства, как анизотропность.

В воде в один и тот же момент могут присутствовать все возможные типы агрегатов молекул, причем равновесие между ними будет зависеть от термодинамических условий системы. При тепловых движениях эти агрегаты, сталкиваясь между собой, могут терять часть своих молекул и тем самым преобразовываться в другие типы. Однако общее число водородных мостиков

при неизменных термодинамических условиях будет постоянным.

Что касается геометрической формы возникающих в воде агрегатов, то по этому вопросу существуют различные точки зрения. Отметим, что большинство авторов исходит из того, что молекулы объединяются в трехмерные ассоциаты, и только М. Аджено предполагает двумерное их строение, а следовательно, и геометрия двухмерных фигур будет в этом случае отличной от геометрии трехмерных фигур.

15

Независимо от характера образующихся геометрических фигур характер структуры жидкой воды, по мнению большинства авторов, в каждый данный момент определяется соотношением в ней льдо-подобных ассоциатов с мономерными молекулами воды, т.е. соотношением групп молекул, имеющих

водородные связи, с одиночными молекулами, лишенными этих связей. Эта соотношение зависит от целого ряда факторов, и одно из самых важных

мест в этом ряду занимает температура.

Лед отличается от жидкой воды тем, что имеет кристаллическую структуру, в нем все 100% молекул воды связаны между собой водородными связями. В то же время в воде всегда имеется некоторое количество мономерных молекул. Плавление льда сопровождается разрушением его кристаллической решетки и разрывом части водородных связей или по крайней мере их искажением. Сохраняющиеся при этом агрегаты молекул воды с водородными связями представляют собой как бы островки кристаллических структур, разбавленными мономерными молекулами воды. Соотношение между этими группами молекул и одиночными молекулами воды зависит, кроме температуры, от давления, состава воды, характера связи воды с твердым телом, влияния внешних полей (электрических, магнитных) и других факторов. В реальных природных условиях структура воды непрерывно

меняется под влиянием тех или иных факторов (температуры, давления, состава, влияния физических полей и т.д.). По сути мы имеем воду с разной

структурой в разных точках земли, которая к тому же меняется подобно течению воды в реке.

Рис. 1.4. Примеры молеку ляр ных агрегатов в жидкой во де . По М .

Аджено

16

Таким образом, в жидкой воде, по сути дела, происходят взаимодействия не между разупорядоченными молекулами, свойственными жидкому состоянию, а между зародышами кристаллических образований. В этом смысле вода занимает как бы промежуточное положение между кристаллическим и жидким

состоянием и более сходна с твердым телом, чем с идеальной жидкостью, т.е. относится к числу "жидких кристаллов". По этой же причине состав воды

лучше писать не в виде Н2О, а в виде (Н2О)п . В этой формуле п может колебаться в значительных пределах: от 12 до 860 в зависимости от температуры и только при Т > 250-370° С (по разным данным) становится равным 1, т.е. формула воды приобретает вид Н2О.

В области надкритических температур и давлений, т.е. при Т > 374° С и Р > 21,8 МПа, по современным представлениям, вода находится не только в форме пара, как это можно было бы предполагать, но образует и жидкую фазу. Появление последней объясняется эффектом повышенного давления, сопровождающегося увеличением плотности газовой фазы. При сжатии пара наступает состояние, при котором средняя длина свободного пробега молекулы уменьшается настолько, что каждая частица на достаточно длительное время оказывается в поле действия притяжения соседних молекул. Так могут возникнуть ассоциации молекул воды, соединенные водородными связями, т.е. вода

физически будет соответствовать жидкой.

Структурные особенности воды изменяются не только под действием температуры и давления, но и под влиянием растворенных солей, электрического, магнитного и других физических полей, взаимодействия с твердыми и газообразными телами. Все это имеет большое геологическое значение, так как позволяет решить такие важные вопросы гидрогеологии и геологии в целом, как формирование химического состава подземных вод, формирование высококонцентрированных рудообразующих растворов, условия образования гидротермальных, многих эпигенетических и метаморфических месторождений и т.д. Изучение этих вопросов только начинается и сулит большие перспективы.

1.2.3. Структура и свойства тяжелой воды

Еще в 1931 г. была доказано, что, кроме кислорода с атомным весом 16, существуют его изотопы с атомными ве сами 17 и 18. Соотношение этих изотопов в воде является следующим 16О : 17О : 18О = 99,760 : 0,042 : 0,198. Несколько позднее, в 1932 г., был открыт также изотоп водорода с атомным весом 2 — дейтерий (D), а в 1939 г. — изотоп водорода с массовым числом 3 — тритий (Т). Распространенность этих изотопов характеризуется следующим соотношением: 1Н : 2Н = 99,9844 : 0,0156. Различные сочетания указанных изотопов могут образовать 18 различных типов воды. Среди последних особое внимание исследователей привлекла так называемая тяжелая вода,

17

Таблицa 1 . 3

Сравнительные данные для некоторых констант тяжелой и обычной воды

состоящая из дейтерия и обычного кислорода — 2Н216О, главным образом благодаря необычности ее свойств (табл. 1.3).

Особенно резко отличаются биологические свойства обычной и тяжелой воды. Достаточно указать, что рыбы и мыши не могут прожить в тяжелой

воде даже короткое время, в ней не прорастают даже семена, а химические реакции протекают в тяжелой воде гораздо медленнее, чем в обычной.

Распространение тяжелой воды в природе крайне неравномерно: ее содержание ничтожно мало в снеге, дождевых и поверхностных водах, значительно больше в океанах, растениях и животных, а особенно в некоторых минералах, в том числе метаморфических хлоритах.

Разница в физических свойствах тяжелой и обычной воды связана с

различиями в размерах их молекул. Установлено, что расстояние O-D в молекуле тяжелой воды составляет 0,976 ± 0,0003 нм против 0,970 ±

0,000025 нм в обычной воде, а угол DOD — 104,2 ± 3° против 107,2 ± 3° для угла НОН.

Благодаря меньшим размерам и одновременно большей массе молекул тяжелой воды последние при возникновении льдоподобных структур оказываются ближе друг к другу, чем, молекулы обычной воды. Поэтому дейтериевая связь заметно прочнее водородной, что, в частности, сказывается в том, что величина концентрации льдоподобных ассоциаций при нагревании тяжелой воды уменьшается значительно медленнее, чем обычной. Если при 20° С концентрация льдоподобных ассоциаций в тяжелой воде в полтора раза выше, чем в обычной, то уже при 40° она выше в два раза. Все это хорошо увязывается с наблюдаемыми фактами.

18

1.3. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ГИДРОГЕОЛОГИИ

Гидрогеология, подобно другим областям знаний, возникла в глубокой

древности из практических потребностей человека, но оформилась как наука только в конце XIX в., хотя отрывочные сведения о подземных водах можно

найти еще в документах, относящихся к весьма отдаленным периодам истории развития человеческого общества. Так, на Ближнем Востоке строили колодцы большого диаметра и глубиной до 50 м уже в V—III вв. до н. э., которые располагались вдоль караванных путей и обеспечивали водой всех путешественников.

Первые каменные водопроводы в Древней Греции и Риме известны уже в VII-VI в. до н. э. На острове Самос (Греция) был сооружен подземный тоннель длиной 1200 м для водоснабжения города Мегора. В 312 г. до н. э. был построен подземный самотечный тоннель в г. Аффлиано длиной около 5 км для перехвата воды в известняках. Сохранились останки древних каменных колодцев на подземные воды на территории Акрополя (окрестности Афин), в районе Эль-Джем (Тунис), на Синайском полуострове, в Алжирской Сахаре и других местах. Лечебные воды Буды (Венгрия) были

известны еще в Римскую эпоху.

Однако необходимо представить, что в это время господствовали мифические взгляды об окружающем мире. При этом большое значение придавалось действию разных богов. Так, у шумеров наполнение рек и источников связывалось с приближением к земному диску мудрейшего бога Энки, обитающего в Великой бездне Абзу. По представлениям, бытовавшим в Палестине в XI в. до н.э. между зловещим подземным царством и плоской землей находятся подземные воды, которые по каналам проникают на поверхность и питают моря и реки. Греческий философ-материалист Анаксимандр (610-546 гг. до н.э.) считал, что при высыхании земли образуются трещины, по которым циркулируют воздух, вода и пламя, сотрясающие землю при выходе на поверхность.

Но мировоззрение древних людей не мешало им вести практическую деятельность. Огромным их достижением является изобретение способа сооружения водосборных галерей, берущих воду из аллювиальных отложений

конусов выноса и рыхлых пород. Такие сооружения, которые, вероятно, впервые были построены более 2500 лет назад в Иране, а затем в

Афганистане и Египте, имели длину в несколько километров и накапливали воду для водоснабжения и орошения [5].

В начале нашей эры был известен в» общих чертах и химический состав подземных вод. Так, у одного из известных врачей первого века — у Архигенеса из Апамеимы находим деление минеральных вод на щелочные, железистые, соленые и серные.

Первые представления о генезисе и механизмах движения воды также возникли в глубокой древности. Первым ученым гидрологом

19

можно назвать Фалеса из Милета (около 624-547 гг. до н.э.), родоначальника Ионийской школы философов. Он считал, что вода — есть начало всего и она образует основу окружающего мира, на которой "плавает суша". Все вещи возникли из воды, в которую они в конце концов

превращаются. Морская вода, по его представлениям, ветром загоняется в земные недра, из которых под действием давления поднимается на

поверхность, образуя родники. Хотя взгляды этого ученого далеки от реальности, тем не менее они весьма важны и поучительны для понимания развития представлений о роли воды в окружающем нас мире.

Близкие взгляды позже развивал древнегреческий философ Платон (427347 гг. до н.э.), который источником всей речной воды считал огромную подземную пещеру, куда по каналам поступает морская вода. Правда, некоторые историки науки утверждают, что в свое время труды Платона прочитали не совсем верно, и его идеи, оказавшие большое влияние вплоть до средних веков, восприняты неправильно. В своем труде Critias якобы Платон довольно точно описывает круговорот воды в природе [4].

Ученик Платона Аристотель (384-322 гг. до н.э.) переработал и углубил идеи своего учителя. Он указывал, что морская вода попадает в реки после испарения и прохождения через сложную губкообразную систему подземных

пустот. Он также признавал, что в пещеры вода попадает и из атмосферных осадков. Аристотелю же принадлежат и первые идеи о причинах разнообразия

состава воды, которые он полностью объяснял составом горных пород. Его знаменитый постулат о том, что "воды суть такого качества, какого земли, (т.е. горные породы — С. Ш.) через которые они текут " в своей основе верный только частично, больше двух тысячелетий господствует в науке без каких-либо ограничений.

И все же если учесть огромную роль воды в жизни древних людей, необходимо согласиться с мнением американского исследователя Р. де Уиста [5], что греки, как ни странно, не достигли больших успехов в решении вопроса о происхождении подземных вод. Высказывается предположение, что отрицательную роль сыграл неверный тезис Платона и его последователей о том, что наука не должна основываться на экспериментальных наблюдениях. В результате между теорией и практикой возник огромный разрыв, который в течение 2000 лет позволял развиваться

догматической науке о Земле и приводил ко многим абсурдным заключениям.

В древнем Риме также пытались разгадать природу подземных вод. Наибольший вклад внес архитектор и инженер Марк Ветрувий Поллио (вторая половина I в. до н.э.), который, вероятно, первым правильно понял сущность круговорота воды в природе. Он считал, что вода тающих снегов просачивается в землю горных областей и появляется вновь на меньших высотах в виде родников, что совершенно правильно. Поэтому нужно согласиться с мнением Е.В. Пиннекера о том, что Витрувий Поллио является родоначаль-

20

ником инфильтрационной теории происхождения подземных вод. В противоположность Витрувию Луций Анней Сенека (I в. н.э.) — представитель философского направления римского стоицизма, придерживался взглядов Аристотеля, но отрицал возможность инфильтрации атмосферных осадков.

Неверное утверждение Сенеки о невозможности атмосферных осадков проникать в недра земли принималось в Европе учеными в течение 1500

лет. Все это время прогрессивные идеи Витрувио Поллио были практически забыты. Исключение составляют только работы французского испытателя Бернара Палисси (род. около 1510 г. — умер 1589 или 1590 г.), который в диалоге Теории и Практики, приведенном в его работе "Воды и родники", развивал вполне современные взгляды о круговороте воды в природе. Необходимо также назвать работы Саксонского, естествоиспытателя Г. Агриколы (1494-1555 гг.), который, опираясь на конкретные наблюдения за водопритоками в горных рудниках и изучая морфологию рудных тел, обосновал идеи о появлении здесь воды за счет просачивания с поверхности или сгущения водяных паров, поступающих снизу, принимавших непосредственное участие в рудооб-разовании. Идеи Г. Агриколы, к сожалению, во многом забыты и в гидрогеологии мало известны.

Тем не менее воззрения Платона и Аристотеля в интерпретации Сенеки, отрицавшего возможность питания подземных вод за счет просачивания

атмосферных осадков, господствовали практически до конца XVII в. Это подтверждают работы двух влиятельных ученых своего времени: Иоганна Кеплера (1571-1630 гг.) — выдающегося немецкого астронома и Атанасиуса

Кирхера (1610-1680 гг.) немецкого естествоиспытателя и математика. Кеплер утверждал, что Земля подобна большому животному, вдыхающему морскую

воду, которая в нем переваривается и ассимилируется. В результате образуется пресная вода родников — конечный продукт обмена в организме земли. Кирхер в 1664 г. опубликовал книгу "Подземный мир", которая пользовалась большой популярностью у ученых XVII в. Это сочинение, основанное на взглядах античных мыслителей, но приспособленное к догмам церкви, было претенциозным по размаху воображения и непревзойденным по фантазии. Образование подземных вод он связывал с поступлением морских вод по каналам в огромные пустоты в горах, откуда она вытекает в виде родников. Водовороты типа мистического Мальстрома у берегов Норвегии Кирхер считал местами, где вода уходит в глубь земли через огромные отверстия в дне моря. В то же время он допускал, что морская вода в огненном жерле может нагреваться и давать родники горячих вод.

Не так к проблемам подземных вод подходили мыслители Ближнего Востока и Средней Азии. Примером являются труды выдающегося

арабского философа, уроженца Хорезма А. аль-Бируни (972 или 973-1048 гг.), который опередил европейских

21