Содержание

					Стр.
	Введение……………………………………………………………..			4
1.	Вода в геосферах Земли……………………………………………..			9
	1.1.		Надземная гидросфера………………………………….	9
	1.1.1.		Влажность воздуха……………………………………….	9
	1.1.2.		Испарение и транспирация……………………………..	10
	1.1.3.		Атмосферные осадки………………………………….....	12
	1.1.4.		Виды воды в атмосфере……………………………...….	14
	1.2.		Наземная гидросфера…………………………………....	14
	1.2.1.		Гидрологический круговорот воды…………………….	15
	1.2.2.		Малый и большой круговороты воды…………………..	16
	1.2.3.		Поверхностный сток……………………………………..	17
	1.2.4.		Подземный сток……………………………………….....	19
	1.3.		Подземная гидросфера………………………………......	20
2.	Гидрогеологические структуры. Структурные типы подземных вод…………………………………………………………………..…			22
3.	Подземные водные резервуары…………………………………..…			23
	3.1.		Гидрогеологический цикл и его этапы.………………...	28
4.	Проблема формирования подземных вод и ее сущность………….			28
	4.1.		Формирование ресурсов подземных вод……………..	29
	4.1.1.		Процессы формирования состава подземных вод……	31
5.	Гидрогеологическая стратификация………………………………			32
	5.1.		Гидрогеологическая стратификация ЗСМБ……………	35
6.	Виды воды в горных породах……………………………………..			36
7.	Основные виды движения подземных вод………………………..			40
	7.1		Элементы фильтрационного потока. Закон Дарси…….	42
	7.1.1.		Методы определения коэффициента фильтрации…….	44
	7.1.2.		Водопроводимость……………………………………….	44
	7.2.		Особенности движения подземных вод повышенной минерализации…………………………………………..	44
	7.3.		Установившееся и неустановившееся движение………	45
8.	Гидрогеотермия………………………………………………………			46
	8.1.		Гидрогеотермический режим земной коры…………….	46
	8.1.1.		Виды теплопереноса……………………………………..	47
	8.1.2.		Геотермические зоны земной коры……………………..	49
	8.1.3.		Геотемпературное поле………………………………….	50
	8.1.4.		Практическое применение геотермических методов в гидрогеологии……………………………………………	51
9.	Свойства и состав природных вод………………………………….			51
	9.1.		Распространение воды на Земле и уникальность ее свойств……………………………………………………	51
	9.1.1.		Строение и структура воды……………………………..	52
	9.1.2.		Изотопный состав воды………………………………….	54
	9.1.3.		Физические свойства воды……………………………...	55
	9.1.4.		Химический состав воды………………………………..	57
	9.1.5.		Макрокомпоненты………………………………………	57
	9.1.6.		Классификация вод по величине минерализации…….	57
	9.1.7.		Микрокомпоненты………………………………………	58
	9.1.8.		Ионное произведение и активная реакция воды. рН…………………………………………………………	58
	9.1.9.		Окислительно-восстановительный потенциал воды….	59
	9.1.10.		Типы химического анализа при гидрогеологических исследованиях……………………………………………	60
	9.1.11.		Бактериологический состав воды………………………	61
	9.1.12.		Газовый состав воды…………………………………….	63
	9.1.13.		Жесткость воды………………………………………….	65
	9.1.14.		Агрессивность воды……………………………………..	66
10	Подземные воды криолитозоны……………………………………			67
	10.1.		Надмерзлотные воды деятельного слоя………………...	69
	10.1.1.		Межмерзлотные воды…………………………………..	70
	10.1.2.		Подмерзлотные воды……………………………………	72
11	Основы палеогидрогеологии……………………………………….			73
12	Основы нефтегазовой гидрогеологии……………………………..			78
	12.1.		Теоретические основы нефтегазовой гидрогеологии…	78
	12.1.1.		Растворенные углеводородные газы…………………..	78
	12.1.2.		Воднорастворенные органические вещества…………..	79
	12.2.		Гидрогеологические условия, благоприятные для сохранения и разрушения залежей нефти и газа……..	81

Введение

Дисциплина «Основы гидрогеологии» посвящена самым общим основополагающим гидрогеологическим сведениям и, прежде всего, особенностям появления и закономерностям распространения воды в недрах Земли.

Понятие «гидрогеология». Гидрогеология зародилась на стыке двух первооснов: геологии и гидрологии. Термин введен Ж.Ламарком (1802) для обозначения явлений разрушения и отложения водой. Современное определение понятия гидрогеологии – это наука о подземной гидросфере. Она изучает историю подземной гидросферы, ее ресурсы и состав, закономерности пространственного распределения составляющих ее компонентов (свободная, связанная, жидкая, парообразная, твердая, надкритическая и др. виды воды), происходящие в ней процессы и взаимодействие с окружающими земными оболочками, а также хозяйственное значение компонентов подземной гидросферы и влияние на них деятельности человека.

Роль академика В.И. Вернадского в развитии отечественной гидрогеологии. Решающую роль в развитии гидрогеологии сыграли три «постулата», выдвинутые выдающимся русским ученым академиком В.И. Вернадским: 1) единство природных вод, предполагающее постоянные переходы воды из одного состояния или вида в другое; 2) «всюдность» воды – присутствие во всех земных сферах вплоть до мантии Земли, а также и в космосе; 3) в природе нет «чистой» воды (Н₂О), а есть водные растворы различной концентрации. В.И. Вернадский придавал большое значение воде в процессах массопереноса вещества и энергопереноса в виде различных физических полей, что сконцентрировано в его всемирно известной равновесной системе. В.И. Вернадский рассматривал воду, как один из сложнейших минералов земной коры. По составу и свойствам им выделены 485 минералов подземных вод, которые можно охарактеризовать так же точно, как твердые минералы, например, кварц. В настоящее время в связи с развитием аналитической базы их можно выделить во много раз больше.

В.И. Вернадский указывал на особое место воды в истории нашей планеты: «Нет природного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных геологических процессов. Нет земного вещества – минерала, горной породы, живого тела, которое бы ее не заключало. Все земное вещество – под влиянием свойственных воде частичных сил, ее парообразного состояния, ее вездесущности в верхней части планеты – ею проникнуто и охвачено». Исключительную роль воды в жизни нашей планеты ученый аргументировал следующим образом: «Не только земная поверхность, но и глубокие – в масштабе биосферы – части планеты определяются в самых существенных своих проявлениях, ее существованием и ее свойствами». Он считал, что водою вызывается и создается электрическое поле планет и ее атмосферы, свойства воды создают климат и определяют термодинамику атмосферы, с водой связана вся химия земной коры и среда жизни.

Равновесная система В.И. Вернадского (макет С.Л. Шварцева)

Методы исследований в гидрогеологии. Гидрогеология, является частью геологии, тесно связана с циклом естественных и точных наук. Среди методов исследований можно выделить три группы: 1) Полевые; 2) Лабораторные; 3) Расчетные. Полевые методы включают проведение различных гидрогеологических исследований (съемки, бурение и испытание скважин и горных выработок; среди лабораторных методов можно выделить анализ химического и газового состава вод, определение фильтрационных параметров горных пород, моделирование движения подземных вод, откачки, наливы и др.).

Расчетные методы связаны с определением гидродинамических параметров (коэффициенты фильтрации, пьезо- и уровнепроводность и др.), используемых при подсчете запасов месторождений подземных вод. При проектировании разработки с заводнением нефтяных залежей проводятся расчеты допустимых депрессий и совместимости закачиваемых и пластовых вод и др.

Основные разделы гидрогеологии. Гидрогеология - комплексная наука, в ней выделились и оформились, как самостоятельные, две группы направлений: 1) теоретическая и 2) методическо - прикладного характера (табл.1).

Основные проблемы гидрогеологии. Основной фундаментальной проблемой современной гидрогеологии является формирование подземных вод. Это - проблема, состоящая из формирования ресурсов подземных вод и их состава в четырехмерном пространстве. К числу прикладных проблем относятся поиски и разведка месторождений пресных питьевых подземных вод, а также подземных вод, используемых в различных хозяйственных целях: технологические процессы производства, заводнение нефтяных залежей и осушение месторождений полезных ископаемых и др., использование химического и газового состава подземных вод при поисках месторождений полезных ископаемых (нефти, газа, полиметаллов и др.). В последние годы решаются проблемы захоронения промстоков в недра. Таким образом, прикладные задачи гидрогеологии связаны с использованием подземных вод для различных целей. Главной среди них является хозяйственно-питьевое водоснабжение. Ресурсы пресных подземных вод составляют в нашей стране 340 км³ в год. По данным Л.С. Язвина, в 2001 г. использовалось 7,8 км³ в год или 21,4 млн. м³ в сутки. Это всего лишь 2,3% от прогнозных ресурсов, что говорит о больших перспективах водоотбора из недр. Существенно, что защищенность подземных вод от загрязнения обычно значительно выше, чем у поверхностных вод, которые доминируют сейчас в системе централизованного водоснабжения (64%). Важно отметить, что доля подземных вод в этом балансе постепенно растет. Так, 68% городов и крупных поселков снабжаются подземными водами на 90 % и более; 12% городов имеют смешанное водоснабжение за счет подземных вод и поверхностных вод; 20% городов снабжаются преимущественно за счет поверхностных вод. Вместе с тем в ряде регионов (областей) засушливого климата и широкого распространения многолетней мерзлоты наблюдается дефицит пресных подземных вод [3].

Минеральные воды могут оказывать лечебное воздействие на человеческий организм. Известно более ста видов лечебных минеральных вод (углекислотных, сероводородных, радиоактивных и др.), которые применяются как для внутреннего, так и для внешнего пользования. Преобладающее большинство из выделяемых типов минеральных вод установлено на территории нашей страны. В нашей стране разведано 844 месторождения минеральных вод с эксплуатационными запасами 328 тыс. м³ в сутки. На их базе функционируют 220 санаториев, водолечебниц, грязелечебниц, более 100 предприятий по разливу минеральной воды. Несмотря на то, что Россия является одной из богатейших стран в мире по ресурсам и разнообразию минеральных вод, по их потреблению на душу населения мы заметно отстаем от Франции, Италии, Германии, где столовых минеральных вод производят на порядок больше, чем у нас. Наибольшее количество разведанных месторождений минеральных вод (78%) приходится на центральнее районы России и Северный Кавказ. Даже на Камчатке, где известно 270 проявлений минеральных и термальных вод, разведано только 18 из них. Это показывает, насколько велики перспективы разведки и эксплуатации минеральных вод. Такое положение наблюдается не только на Камчатке, но и во многих других регионах нашей страны. Поэтому перспективы деятельности гидрогеологов по изучению минеральных вод весьма обширны.

Вода может рассматриваться как источник химического сырья, из нее могут извлекаться в промышленных масштабах йод, бром, бор, поваренная соль, некоторые металлы, уран и др. С помощью воды проводится подземное выщелачивание месторождений самородной серы, поваренной соли, урана, полиметаллов. При активном участии воды происходит образование и формирование месторождений нефти. Подземные воды играют важную роль в рассеянии и концентрировании химических элементов. Это означает, что их водная миграция имеет решающее значение в создании и разрушении месторождений полезных ископаемых (осадочных, гидротермальных, метаморфических, магматических и др.).

Подземные воды широко используются в теплоэнергетических целях. В 40 странах мира функционируют ГеоЭС, преобразующие тепловую энергию подземных вод в электрическую. Их суммарная мощность в настоящее время достигла 10 тыс.МВт, и, чтобы получить такое количество энергии, добывается 36 тыс. кг/с горячего пара. В России ГеоЭС построены на Камчатке. Паужетская ГеоЭС эксплуатируется с 1966 г., и ее мощность равна 5 МВт. Несколько лет тому назад вступила в строй Мутновская ГеоЭС мощностью 62 МВт. Эти электростанции обеспечивают 37% потребности Камчатки в электроэнергии. Стоимость этой электроэнергии значительно ниже, чем у тепловых электростанций, работающих на мазуте, а стоимость тепла, отпускаемого ГеоЭС, почти в 10 раз меньше, чем теплота от ТЭС, работающих на привозном топливе. Еще шесть месторождений термальных вод с температурой более 90⁰С и ресурсами более 770 кг/с подготовлены для ввода в эксплуатацию. Таким образом, перспективы получения тепла и энергии из недр на Камчатке весьма велики. Они имеются и в других регионах России (на Курильских островах, где функционируют две небольших ГеоЭС, на Кавказе, в Предкавказье и Западной Сибири). В этих районах термальные воды используются пока только для теплоснабжения (парниковое хозяйство, обогрев жилых помещений).

Подземные воды могут оказывать и вредное воздействие. С этими явлениями приходится сталкиваться в районах подтопления жилых зданий, заболачивания и переувлажнения почвы, развития карста, активизации суффозионных и плывунных процессов. Много средств затрачивается на борьбу с подземными водами при разработке месторождений полезных ископаемых. Для осушения горных выработок откачивается более 5 млн. м³ в сутки. Много сложных гидрогеологических проблем возникает при гидротехническом строительстве, проходке тоннелей, при возведении и эксплуатации объектов гражданского и промышленного назначения.

Сказанное позволяет получить представление о сложности и разнообразии проблем, которые приходится решать гидрогеологу в процессе его научной и производственной работы. В круг его обязанностей входит также экспертная оценка гидрогеологической обстановки территории, эколого-гидрогеологические исследования, прогнозирование изменений гидрогеологических условий, проведение поисковых и разведочных гидрогеологических работ. От успешного решения указанных задач зависит в той или иной степени жизнеобеспеченность и нормальное функционирование различных сфер человеческой деятельности.

Таблица 1.

Разделы гидрогеологии

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ
Название	Сущность
1. Общая гидрогеология	общие основополагающие сведения и, прежде всего, особенности появления и закономерности распространения воды в недрах Земли
2. Гидрогеодинамика	движение, режим и ресурсы подземных вод, гидрогеодинамическое моделирование.
3.Гидрогеохимия	закономерности миграции химических элементов и их соединений в подземной гидросфере, состав подземных вод, и его формирование.
4. Гидрогеотермия	термические свойства и особенности подземной гидросферы.
5. История ПГ (палеогидрогеология)	происхождение подземных вод и их эволюция, геологическая деятельность воды в недрах Земли и ее роль в различных геологических процессах.
6.Региональная гидрогеология	гидрогеологические условия различных регионов мира.
МЕТОДИЧЕСКИЕ И ПРИКЛАДНЫЕ
1. Методика гидрогеологических исследований	методы проведения гидрогеологических исследований (полевые, лабораторные, расчетные).
2. Разведочная гидрогеология	изучение месторождений подземных вод, и использование их в водоснабжении, мелиорации, в качестве лечебных, промышленных и теплоэнергетических источников.
3.Инженерная гидрогеология	обводнение и осушение месторождений полезных ископаемых, мелиорация земель, проведение строительства инженерных сооружений.
4.Техногенная гидрогеология	истощение и загрязнение подземных вод, защитные мероприятия и управление их режимом; эколого-гидрогеологический мониторинг.