B.A. КИРЮХИН

ОБЩАЯ ГИДРОГЕОЛОГИЯ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2008

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В.Плеханова (технический университет)

В .А. КИРЮХИН

ОБЩАЯ ГИДРОГЕОЛОГИЯ

Допущено Министерством образования и науки Российской Федерации в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Поиски и разведка подземных вод», направления подготовки дипломированных специалистов «Прикладная геология»

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2008

УДК 556.3 (75.80) ББК 26.326 К 43

В учебнике изложены основы гидрогеологических знаний. Рассмотрены строение и границы подземной гидросферы, ее фундаментальные свойства и связь с другими оболочками Земли, единство природных вод и их круговороты на планете. Даны основные понятия, классификации и термины, использующиеся в гидрогеоло­гической литературе. Подземные воды описаны по разным признакам: вид, проис­хождение, динамика, химия, температура, ресурсы, режим и состояние. Отдельная глава посвящена характеристике основных этапов развития подземной гидросферы. Дан анализ основных методов изучения подземных вод. Оценены условия форми­рования и эксплуатации месторождений подземных вод. Сформулированы основ­ные экологические проблемы, возникающие при эксплуатации водоносных систем. Каждая глава заканчивается заданиями для самоконтроля, которые должны способ­ствовать активизации работы студентов.

Предназначен для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 130302 «Поиски и разведка подземных вод и инженерно­геологические изыскания» по направлению 650100 «Прикладная геология».

Рецензенты: кафедра гидрогеологии Московского государственного геоло- го-разведочного университета; проф. В.П. Якуцени (ВНИГРИ).

Кирюхин В.А.

К 43. Общая гидрогеология: Учебник / В.А.Кирюхин; Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет). СПб, 2008. 439 с. + вклейка.

ISBN 978-5-94211-330-8

УДК 556.3 (75.80) ББК 26.326

ISBN 978-5-94211-330-8

© Санкт-Петербургский горный институт им. Г.В.Плеханова, 2008

Введение

Гидрогеологическое образование начинается с изучения курса «Общей гидрогеологии». С водой мы сталкиваемся посто­янно и повсеместно. Она обеспечивает существование жизни на нашей планете и практически все происходящие на ней процес­сы. Мы привыкли к воде, и нам кажется, что все, связанное с .ней, является обычным. Но вода - это великое чудо природы. В ней сочетаются естественная простота и гениальная сущность мироздания.

На особое место воды в истории нашей планеты указывал В.И. Вернадский: «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» [6, с.20]. 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» [6, с.20]. Он считал, что водою вызывается и создается электриче­ское поле планеты и ее атмосферы, свойства воды создают климат и определяют термодинамику атмосферы, с водой связана вся хи­мия земной коры и среда жизни.

Из сказанного ясно, какое необычайно важное место занима­ет вода в жизни нашей планеты. Следует об этом помнить, начиная

3

знакомиться с миром воды, изучению которого и посвящен предла­гаемый учебник. Он состоит из двух частей: теоретической, методо­логической и прикладной. В первой рассматриваются свойства во­ды, ее распространение и виды круговорота в природе, стратифика­ция подземной гидросферы, движение и химия подземных вод, их ресурсы и режим, эволюция подземной гидросферы, во второй части описаны объекты и методы гидрогеологических исследований, на­правления использования подземных вод и выделены экологические проблемы гидрогеологии.

С точки зрения автора, одной из основных задач учебника является создание у студентов гидрогеологического мировоззре­ния на основе современных достижений наук о Земле. Подземные воды - это явление планетарное, а подземная гидросфера, кото­рую они образуют, представляет собой одну из оболочек Земли. Подземные воды - наиболее подвижный компонент земной коры, определяющий направленность геологических процессов и форми­рование месторождений полезных ископаемых, в том числе подзем­ных вод различного качества. С другой стороны, подземные воды быстро реагируют на неблагоприятные техногенные воздействия, проникающие в земные недра, и потому являются надежным показа­телем здоровья планеты.

Другой важной задачей учебника является знакомство сту­дентов с понятийно-смысловой базой гидрогеологической науки, что предусматривает использование системного подхода при изуче­нии гидрогеологических объектов, анализ гидрогеологических клас­сификаций и терминологии, изучение наиболее важных гидрогеоло­гических процессов и закономерностей.

Еще одна задача - познакомить студентов с методами гидро­геологических исследований. В этой связи даются общие представ­ления о видах и объектах исследований, получаемых результатах, рассматриваются подходы к практической оценке итогов гидрогео­логических изысканий.

Учебник подготовлен в Санкт-Петербургском горном ин­ституте. Уже в уставе института, образованного в 1773 г., была определена необходимость изучения подземных вод для практи­ческих целей. В дальнейшем перечень гидрогеологических задач,

которые могли решать горные инженеры, постепенно расширял­ся. Основы гидрогеологических знаний в курсе общей геологии преподавались выдающимися профессорами института В.М. Се- вергиным, Д.С. Соколовым, И.В. Мушкетовым. В начале XX в. курс гидрогеологии стал самостоятельным. Его полную програм­му в 1918 г. подготовил А.Д. Стопневич. В 1920 г. чтение этого курса было поручено П.И. Бутову. В 1929/30 учебном году в Ле­нинградском горном институте была организована кафедра гид­рогеологии, начат прием на гидрогеологическую специальность, гидрогеология разделилась на несколько самостоятельных дис­циплин и появился новый предмет - «Общая гидрогеология». В начале 30-х гг. ее читали П.И. Бутов, Н.Ф. Погребов и Д.И. Щеголев, с 1936 г. Н.И. Толстихин и Д.И Щеголев, а с 1939 по 1946 г. основным лектором был Н.И. Толстихин. С 1947 по 1979 г. преподавание общей гидрогеологии взял на себя В.М. Максимов. В эти годы под его редакцией вышло три издания «Справочного руководства гидрогеолога» (1959, 1967 и 1979). В этих книгах было отражено современное состояние гидрогеоло­гии, в том числе и дисциплины «Общая гидрогеология». С 1979 по 1985 г. этот курс преподавал А.Н. Павлов, а с 1986 по 2006 г. - А.И. Коротков. С 2007 г. этот курс читает Д.Л. Устюгов. Таким образом, на кафедре гидрогеологии и инженерной геологии гор­ного института накопился многолетний опыт преподавания «Об­щей гидрогеологии» с определенными подходами и традициями. Все это нашло отражение в учебнике, подготовленном на этой кафедре профессорами В.А. Кирюхиным, А.И. Коротковым и

1. Н. Павловым [14].

Новое издание учебника подготовлено профессором

2. А. Кирюхиным. В нем сохранены многие принципиальные поло­жения прежнего учебника [14] и учтены в той или иной мере дости­жения современной гидрогеологической науки. В процессе работы автор пользовался консультациями А.И. Короткова, А.Н. Павлова, Е.А. Баскова, С.М. Сударикова и Л.П. Норовой. В написании гла­вы 5 участвовал А.Н. Павлов, главы 6 - А.И. Коротков, а главы 9 -

А.И. Коротков, Е.А. Шебеста (раздел 9.2), а также И.Л. Хархордин (раздел 9.3) и К.В. Титов (раздел 9.4).

5

Большую помощь в оформлении учебника оказали препо­даватель кафедры гидрогеологии и инженерной геологии к.г.-м.н. М.Г. Стуккей, инженер этой же кафедры к.г.-м.н. Кутяйкина М.Н. и студентка А.Г. Стуккей.

Всем указанным лицам автор выражает свою искреннюю благодарность.

Замечания и предложения по поводу учебника автор просит направлять по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, Санкт-Петербургский горный институт.

Часть 1. Теоретические основы гидрогеологии

Глава 1. Базовые положения курса

1. Объект и предмет гидрогеологии

Гидрогеология - это наука о водах Земли. Можно сказать и по-другому, - это наука о геологии воды. Таким образом, гидрогео­логия изучает подземные воды и водовмещающую среду - горные породы. Все это вместе называется подземной гидросферой. Поэто­му объектом изучения гидрогеологии является подземная гидросфе­ра. Подземная гидросфера - одна из оболочек Земли, которая нахо­дится в тесной взаимосвязи с другими оболочками: атмосферой, на­земной гидросферой, литосферой и биосферой. Подземные воды имеют пространственные связи, выходящие за рамки подземной гидросферы. С этих позиций подземные воды представляют собой явление планетарного, или глобального, масштаба. С другой сторо­ны, распространение вод в подземной гидросфере и их поведение носят закономерный характер. Эти закономерности могут быть ре­гиональными или локальными (местными) и подчиняться воздей­ствию как внутриземных, так и внешних факторов. Поэтому для понимания этих закономерностей требуется анализ разнообразных процессов: геологических, гидрологических, криогенных, клима­тических, биогенных, а в последнее время нередко и техногенных. В связи с этим важным представляется определение предмета гид­рогеологии.

Предметом гидрогеологии является система вода - порода - газ - живые организмы. Между компонентами этой системы под­держивается определенное динамическое равновесие. Изменение физико-химической обстановки приводит к нарушению этого равно­весия, затуханию каких-либо процессов, накоплению тех или иных компонентов в водах, образованию вторичных минералов. Измене­ние системы вода - порода - газ - живые организмы позволяет оце­нивать условия формирования подземных вод, давать прогноз их изменения, устанавливать практическое значение подземных вод, решать поисковые задачи, находить способы улучшения качества

7

подземных вод. Особо подчеркнем возможность использования под­земных вод для различных целей: водоснабжение, лечение, получе­ние химического сырья, тепло- и электроэнергии, решение поиско­вых, экологических и других задач. Все сказанное выше позволяет получить емкую формулировку гидрогеологии.

Гидрогеология - это наука о подземной гидросфере, ее эво­люции и строении, связях с другими оболочками Земли, процессах, происходящих с участием слагающих ее компонентов. Особое вни­мание при этом уделяется роли подземных вод, их ресурсам, режи­му, составу, свойствам и состоянию, экологической оценке, практи­ческому использованию и регулированию. Из сказанного следует, что подземные воды являются главным компонентом изучаемой оболочки Земли, как в познавательном, так и в прикладном отноше­ниях. Важно отметить, что под подземными водами, как будет пока­зано дальше, понимаются все виды воды, встречаемые в земных не­драх: жидкие, твердые и парообразные. Неравномерное их распре­деление в подземной гидросфере обусловливает сложность гидро­геологической обстановки на нашей планете.

Остановимся на некоторых важных проблемах, которые ре­шает гидрогеология в своих теоретической и прикладной частях. Ряд основополагающих формулировок В.И. Вернадского о роли воды в жизни нашей планеты были приведены во «Введении». К другим проблемным задачам гидрогеологии следует отнести изучение фун­даментальных свойств подземной гидросферы, установление ее за­конов; познание процессов формирования ресурсов и состава под­земных вод; изучение строения подземной гидросферы и установле­ние закономерностей распространения в ней подземных вод различ­ного качества и назначения.

Прикладные задачи гидрогеологии связаны с использовани­ем подземных вод для различных целей. Главной среди них является хозяйственно-питьевое водоснабжение. Огромные ресурсы пресных подземных вод составляют в нашей стране 340 км³ в год. По данным JI.C. Язвина [50], в 2001 г. использовалось 7,8 км³ в год или

4. млн м³ в сутки. Это всего лишь 2,3 % от прогнозных ресурсов, что говорит о больших перспективах водоотбора из недр. Сущест­венно также, что защищенность подземных вод от загрязнения

8

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 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.

Неравномерное распределение водных ресурсов характерно для большинства стран мира. В ряде из них вод, пригодных для во­доснабжения, катастрофически не хватает. Возникает водный «го­лод». Кроме того, во многих районах население страдает от плохого качества воды. Сотни миллионов людей болеют, и десятки миллио­нов погибают, употребляя воду, не соответствующую санитарно- гигиеническим нормам. Поэтому вода, отвечающая этим нормам, становится стратегически важным и жизненно необходимым мине­ральным сырьем. Обеспечение им в необходимых количествах явля­ется насущной задачей каждого государства. Россия, как сказано выше, обладает богатейшими ресурсами пресных подземных вод, поэтому в наших условиях главной практической задачей является рациональное использование этих ресурсов и охрана водоносных систем от загрязнения и истощения.

Минеральные воды могут оказывать лечебное воздействие на человеческий организм. Известно более ста видов лечебных мине­ральных вод (углекислых, 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 от­

9

стаем от Франции, Италии, Германии, где столовых минеральных вод производят на порядок больше, чем у нас. Наибольшее количество разведанных месторождений минеральных вод (78 %) приходится на центральные 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.

Поиски и разведка минеральных вод, как и их эксплуата­ция - это высокое искусство. В результате этих действий нужно «поймать» жилу, зону, пласт с наилучшими характеристиками качества и количества подземных вод. Казалось бы, проще полу­чить минеральную воду искусственным путем: растворил в воде соду и получил «Боржоми», то же самое сделал с кальцитом и по­лучил «Нарзан», добавил гидроокиси железа и получил «Полюст- рово». Итогом такого эксперимента являются растворы соды, кальцита и гидроокиси железа, но не минеральная лечебная вода. Природа знает больше и делает лучше, в ее распоряжении есть подземная гидрохимическая «лаборатория», в которой вода в те­чение длительного времени, взаимодействуя с водовмещающими породами, приобретает разнообразные лечебные свойства. И пока человек не смог добиться ощутимых результатов в таком сорев­новании с природой.

Вода может рассматриваться как источник химического сы­рья, из нее Moiyr 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 формирование и эксплуатация 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, метаморфогенных, магматогенных и др.).

10

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 Ютыс.МВт, и, чтобы получить такое количество энергии, добывается 36тыс.кг/с горячего пара. В России ГеоЭС построены на Камчатке [13]. Пау- жетская 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 тепла от ТЭС, работающих на привозном топливе. Еще шесть месторождений термальных вод с температурой более 90 °С 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

11