Гидрогеохимия / Для введения

Из ОГ и ПГ Кирюхина

Гидрогеохимия или геохимия подземных вод является фундаментальным разделом гидрогеологии.

Изучением химического состава вод, закономерностями его формирования и пространственно-временных изменений занимается «Гидрогеохимия». В ее задачу входит также типизация и классификация подземных вод по химическому составу, выявление гидрогеохимической зональности, определение пригодности подземных вод по различным гидрогеохимическим показателям для практического использования: водоснабжения, в качестве лечебных вод или химического сырья. В составе подземных вод могут находиться различные химические соединения, взвеси, газы, микроорганизмы.

С водой мы сталкиваемся постоянно и повсеместно. Она обеспечивает существование жизни на нашей планете и практически все происходящие процессы. Поэтому 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 [c.20]: «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 В.И. Вернадский [с.20] аргументирует 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 планеты и ее атмосферы, свойства воды создают климат и определяют термодинамику атмосферы, вода определяет всю химию земной коры и среду жизни.

1. С незапамятных времен подземные воды использовались для питьевых и лечебных целей. Постепенно круг применения подземных вод для практических целей становился все шире и шире. Из подземных вод стали извлекать соль, с их помощью обогревались помещения и решались многие другие практические задачи. Рождение гидрогеохимии как самостоятельного научного направления было обосновано В.И. Вернадским в 1929 году [Вернадский В.И. История природных вод / Под ред. С.Л. Шварцева, Ф.Т. Яншиной. М.: Наука, 2003]. Различные ответвления ее прикладной части возникали как раньше, так и много позже этого события.

1.3. Краткие сведения из истории развития гидрогеологии

Человечество начало знакомиться и использовать подземные воды для различных практических целей с незапамятных времен. Осознание того, как эти воды образуются и как их надо использовать, пришло гораздо позже. Наука может считаться состоявшейся и самостоятельной при соблюдении трех основных условий: 1) создание собственной понятийно-смысловой базы; 2) разработка методов, техники и технологии изучения предмета исследования науки; 3) подготовка специалистов соответствующего профиля. Все указанные условия созрели в полной мере к 30-м годам ХХ-го века. К этому времени появилась структура гидрогеологической науки, основные ее направления, в разных странах вышли монографии, посвященные подземным водам, завершился определенный круг в гидрогеологических исследованиях (съемка, опытно-фильтрационные работы, режимные наблюдения, лабораторные исследования и др.). Были организованы кафедры гидрогеологии, и началась подготовка специалистов-гидрогеологов. Поэтому период до 30-х годов ХХ-го века можно считать временем зарождения и оформления гидрогеологической науки, а после этой даты – период ее становления и развития.

Зарождение и развитие гидрогеологии шло неравномерно, и было связано с темпами научно-технического прогресса, достижениями в науке и технике, появлением новых возможностей в решении различных методических и практических задач по использованию подземных вод. Основные события, которые предопределяли ход зарождения и оформления гидрогеологии как науки, представлены в таблице 1.

Таблица 1

Наиболее важные вехи становления гидрогеологии (по С.Л. Шварцеву с дополнениями) [Шварцев С.Л. Общая гидрогеология. Учебник. М.: Недра, 1996]

Наиболее важные открытия	Дата (приоритет)	Автор
1	2	3
Зарождение конденсационной теории происхождения подземных вод, формулировка постулата «Каковы породы – таковы и воды»	IV в. до н. э.	Аристотель
Зарождение инфильтрационной теории происхождения подземных вод и учения о круговороте воды в природе	I в. до н. э.	М. Витрувий
Открытие роли гидростатического напора в появлении родников	1001 г.	А. Бируни
Первое изложение сведений о поисках подземных вод	1016 г.	М. Каради
Первые сведения о роли воды в рудообразовании. Объяснение происхождения подземных рудничных вод за счет инфильтрации и конденсации	1545-1549 гг.	Г. Агрикола
Первый научный труд об основах круговорота воды в природе. Официальная дата начала научной гидрогеологии	1674 г.	П. Перро
Разработка основ истории природных вод	1680-1690 гг.	Р. Бойль
Первый расчет водного баланса и научное обоснование инфильтрационного происхождения подземных вод	1686 г.	Э. Мориотт
Создание гидродинамики и вывод уравнения стационарного движения идеальной жидкости	1738 г.	Д. Бернулли
Становление учения о роли подземных вод в рудо- образовании	1742-1747 гг.	М.В. Ломоносов
Разработка учения о воде, как геологическом факторе развития Земли (о роли воды в процессах породообразования, метаморфизма и др.)	1752 г.	М.В. Ломоносов
Учение о подземных водах как природных растворах	1744-1754 гг.	М.В. Ломоносов
Установление причин образования многолетней мерзлоты. Обоснование генетической связи жидкой и твердой фаз воды. Проявление зонального и поясного распространения мерзлой зоны в земной коре	1757 г.	М.В. Ломоносов
Установление влияния ландшафтно-климатических условий на формирование грунтовых вод	1770-1780 гг.	В.В. Зуев
Доказательство сложного состава воды из химических элементов	1783-1785 гг.	А. Лавуазье
Введение в науку термина «гидрогеология». Разработка учения нептунистов	1802 г.	Ж.Б. Ламарк
Составление первой сводки о минеральных водах России. Первая классификация минеральных вод	1803 г.	В.М. Севергин
Первое химическое исследование органического вещества подземных вод	1825 г.	Дж. Берцелиус
Первое исследование по теории фильтрации	1848 г.	Ж. Дюпюи
Открытие основного закона фильтрации	1856 г.	А. Дарси
Зарождение учения о роли подземных вод в термическом режиме земной коры	1862 г.	А.Ф. Миддендорф
Открытие периодической системы элементов – одного из основных законов естествознания, являющегося базой современной гидрогеохимии	1869 г.	Д.И. Менделеев
Постановка проблемы изучения подземных вод в историческом плане (начала палеогидрогеологии)	1887 г.	А. Добре
Первая всесторонняя оценка роли воды в геологических процессах	1888 г.	И.В. Мушкетов
Становление теории фильтрации	1889 г.	Н.Е. Жуковский
Первое систематизированное изложение сведений о подземных водах геокриосферы (становление гидрогеокриологии)	1890-1916 гг.	А.В. Львов
Создание основ региональной гидрогеологии и направления по гидрогеологическому районированию	1900 г.	С.Н. Никитин
Разработка гипотезы ювенильных вод	1902 г.	Э. Зюсс
Аналитическое описание неустановившегося и установившегося движения подземных вод со свободной поверхностью	1904 г.	Ж. Буссинеск
Первые кларки состава океана и рек	1908 г.	Ф.У. Кларк
Выявление количественного соотношения инфильтрации и конденсации в питании подземных вод	1908-1913 гг.	А.Ф. Лебедев
Разработка теории широтной зональности грунтовых вод	1914 г.	П.В. Отоцкий
Постановка проблем изучения состава поровых вод осадочных горных пород и их роли в геологических процессах	1929 г.	В.И. Вернадский
Разработка основ современной гидрогеохимии	1929 г.	В.И. Вернадский

Из таблицы 1 видно, что наиболее важные события развития понятийно-смысловой базы гидрогеологии в XVIII-XVIX вв. происходили преимущественно во Франции, Германии и Англии. Российские ученые стали выходить на ведущие позиции в разработке гидрогеологических проблем в связи с исследованиями, проведенными М.В. Ломоносовым, В.Ф. Зуевым, Д.И. Менделеевым, И.В. Мушкетовым. Наиболее весомый вклад в начале ХХ-го века в оформление гидрогеологии как науки внесли С.Н. Никитин, К. Кейльгак и О. Мейнцер.

С.Н. Никитин по праву считается основоположником отечественной гидрогеологии. Им были сформулированы основные понятия о происхождении, закономерностях распространения, питания, движения подземных вод, условиях их разгрузки, определены составляющие круговорота воды на нашей планете, выявлены гидрогеодинамическая и гидрогеохимическая зональности гидрогеологических структур.

Важное значение для понятийно-смысловой базы гидрогеологии заняла работа К. Кейльгака: «Подземные воды и источники суши». Эта книга выдержала три издания (1912, 1917 и 1935 гг.). Она была переведена в нашей стране на русский язык и длительное время служила главным источником знаний по гидрогеологии.

О своих многолетних работах в Северной Америке О. Мейнцер написал несколько книг. Среди них наиболее важное значение имеет: «Гидрогеологические понятия, определения и термины» (1923). Таким образом, к началу 30-х годов теоретическая основа гидрогеологии была подготовлена. К важным достижениям в этом направлении следует отнести труды В.И. Вернадского, который определил роль биосферы в эволюции Земли и сформулировал теоретическое и прикладное значение гидрогеохимии.

Использование подземных вод для практических целей началось с незапамятных времен. Вначале удовлетворение потребностей человека в подземных водах разного качества (пресных, минеральных, термальных) происходило в местах ее естественного выхода на поверхность Земли – в источниках. Затем для вскрытия подземных вод пришлось проходить колодцы, шурфы, канавы, подземные галереи, а затем и скважины. Поэтому с расширением круга практического применения подземных вод появлялись новые способы вскрытия водоносных горизонтов, их изучения, опробования и отбора подземных вод. К началу XX-го века в практику гидрогеологических исследований прочно вошли картирование подземных вод, наблюдение за их режимом и лабораторный химический анализ воды. Таким образом, к 30-м годам ХХ-го века сложилась система гидрогеологических исследований, включавшая полевые работы (картографирование), горные и буровые работы (проходка колодцев и скважин), опытно-фильтрационные работы (откачки, нагнетание, наливы), стационарные наблюдения за режимом подземных вод, лабораторные исследования состава и свойств воды.

В нашей стране, как и за рубежом, началу организации выпуска специалистов-гидрогеологов предшествовали кропотливая работа по сбору гидрогеологической информации и чтение отдельных разделов по подземным водам в курсах по физической геологии, общей геологии и др. Таким образом, давались основы гидрогеологии проф. И.В. Мушкетовым в Санкт-Петербургском горном институте в конце XIX-го в. В начале XX-го века гидрогеологию начали читать как самостоятельную дисциплину: сначала С.Н. Никитин, потом это дело продолжили А.Д. Ступневич, П.И. Бутов, П.Н. Червинский, А.Н. Семихатов, О.К. Ланге. В 20-х годах в разных вузах начали готовить геологов с гидрогеологической специализацией. Они обучались по индивидуальным планам с защитой дипломных проектов по гидрогеологической тематике. В 1928 году началась подготовка инженеров-гидрогеологов Московской горной академией. В 1929 году – в Ленинградском горном институте, а в 1930 – в Томском политехническом институте.

Следует отметить еще три важных события, которые положительно повлияли на развитие гидрогеологических исследований в нашей стране. Первое из них произошло в 1773 году и связано с образованием Санкт-Петербургского горного училища. Его питомцы должны были уметь изучать водные объекты и определять их практическую ценность. Другое событие произошло в 1882 году, когда был учрежден Геологический комитет. Одной из задач его деятельности была организация систематических исследований подземных вод в различных регионах России. Третье событие произошло в 1931 году, когда в Ленинграде прошел первый Всесоюзный гидрогеологический съезд. Он подвел итоги гидрогеологических исследований последних лет, обсудил состояние гидрогеологической науки по наиболее важным ее направлениям (разведка и эксплуатация подземных вод, изучение минеральных вод, региональная гидрогеология и др.) и наметил перспективы ее дальнейшего развития. В работе съезда принимал участие президент АН СССР акад. А.П. Карпинский, акад. И.М. Губкин, профессора Н.Ф. Погребов, П.И. Бутов, Н.Н. Славянов, Г.Н Каменский, Б.К. Терлецкий и другие выдающиеся гидрогеологи. Именно здесь, на этом съезде, А.П. Карпинский назвал воду ценнейшим полезным ископаемым.

С начала 30-х годов XX-го века гидрогеология превратилась в комплексную науку о подземной гидросфере. В ней выделился ряд самостоятельных разделов: гидрогеохимия (В.И. Вернадский, 1929), гидрогеодинамика (Г.Н. Каменский, 1934-1940), учение о видах воды в горных породах (А.В. Лебедев, 1936), учение о подземных водах мерзлой зоны литосферы (М.И. Сумгин, Н.И. Толстихин, 1939-1941), гидрогеологическое районирование территории СССР и обзорное картографирование (М.М. Васильевский, Н.Ф. Погребов, 1936-1941), учение о провинциях минеральных вод (Н.И. Толстихин, 1937). В результате гидрогеология уже на начальном этапе своего развития в предвоенные годы превратилась в науку о процессах и закономерностях. Такому превращению способствовал также труд В.И. Вернадского «История природных вод» (1933-1936). Он показал, что жизнь без воды невозможна. Во введении было уже сказано, что вода участвует практически во всех геологических процессах, характеризуется большим разнообразием состава, состояния и исключительной подвижностью. Поэтому, взаимодействуя с породами, изменяется сама и изменяет водовмещающую среду.

В 1939 году в системе Министерства геологии СССР был организован Всесоюзный научно-исследовательский институт по гидрогеологии и инженерной геологии (ВСЕГИНГЕО). Чуть позже в 1943 году в системе Академии наук СССР под руководством академика Ф.П. Саваренского была создана научно-исследовательская лаборатория по изучению проблем гидрогеологии и инженерной геологии. Таким образом, в нашей стране возникло два научных центра – отраслевой и академический.

Главной задачей отраслевого института являлось изучение, картирование и рациональная организация эксплуатации подземных вод, как отдельных регионов, так и всей страны в целом. Академическая лаборатория занималась, прежде всего, изучением процессов формирования подземных вод и возникающих при этом методических и прикладных вопросов. Эти два учреждения вместе с геологической службой и вузовской наукой страны достигли в послевоенные годы заметных результатов. Разрабатываются различные теории происхождения подземных вод и рассолов: подземного испарения (В.А. Сулин, 1948, М.Е. Альтовский, 1950), осмотических процессов (П.Н. Палей, 1948), седиментационной гипотезы (И.К. Зайцев, 1955, М.Г. Валяжко, 1962), гравитационной дифференциации ионно-солевого состава инфильтрационных вод (К.В. Филатов, 1956), гипотеза трансляционного перемещения ионов, определяющая разную скорость их погружения (В.Я. Самойлов, Д.С. Соколов, 1957), эндогенная гипотеза (В.Ф. Дерпгольц, 1962). Возникли новые разделы гидрогеологии – нефтяная гидрогеология (В.А. Сулин, 1948), изотопная гидрогеология (В.И. Ферронский и др., 1975, В.Е. Ветштейн, 1972), гидрогеохимические поиски рудных месторождений (А.А. Бродский, 1964), гидрогеология рудных месторождений (Н.И. Плотников, 1957), гидрогеология соляных месторождений (А.И. Цзенс-Литовский, Г.В. Короткевич, А.Е. Хотьков, 1950-1970), радиогидрогеология (А.М. Овчинников, 1947, Н.С. Токарев, А.В. Щербаков, 1961).

В 60-х-80-х годах развитие гидрогеологии пошло бурными темпами. Это время называют «золотой век» гидрогеологии. Среди главных достижений этого периода можно отметить: обобщение материалов по гидрогеологии СССР (Г.Н. Каменский, М.М. Толстихина, Н.И. Толстихин, 1959), охрана окружающей среды (А.В. Сидоренко, 1961), обобщение по минеральным водам (А.М. Овчинников, 1963), строение и типизация гидрогеологических структур (И.К. Зайцев, Н.И.  Толстихин, 1964), подземный сток рек (Б.И. Куделин, 1964), гидрогеодинамика в глубинных зонах артезианских бассейнов (Ю.В. Мухин, 1965), палеогидрогеология (А.А. Карцев, С.Б. Вагин, Е.А. Басков, 1969), геохимия ландшафта (А.И. Перельман, 1975), изотопия гелия (И.Н. Толстихин, 1975).

Говоря о 60-80-х годах, можно сказать, что в это время в гидрогеологии произошла информационная революция. В какой-то мере она была обусловлена техническими достижениями, новыми методами анализа воды, вещества, газа, микроорганизмов. Вместе с тем коренные изменения в технологии и оснащении гидрогеологических исследований начались в 1960 году, когда Р.М. Гаррелс выпустил свою книгу «Минеральные равновесия». Ее появление было равносильно взрыву в науке – технической революции. Термодинамические расчеты минеральных равновесий, определение форм миграции веществ дали начало моделированию гидрогеохимических процессов. Внедрение компьютерных технологий позволило перейти к созданию моделей гидрогеодинамических процессов, появилась возможность прогнозировать изменения естественного и искусственного режима подземных вод, начать компьютерное картографирование и вести на новом уровне сбор, обработку и хранение гидрогеологической информации. Моделирование и количественная оценка гидрогеологических процессов стали необходимым условием проведения гидрогеологических исследований.

Таким образом, на рубеже 60-х – 80-х годов в гидрогеологической науке возникла новая ситуация. Эта наука стала многопрофильной и многоплановой. В ней появилось много новых направлений и ответвлений. Широко стали применяться компьютерные технологии для решения различных гидрогеологических задач.

Среди других важных событий 60-х – 80-х годов XX-го века стоит отметить создание 50-томной монографии «Гидрогеология СССР». В ней подводились итоги многолетнего гидрогеологического изучения территории нашей страны. В эти годы в геологическом институте (ВСЕГЕИ) и во ВСЕГИНГЕО были изданы ряд гидрогеологических карт страны разнообразного содержания. Более 70 % ее территории было заснято гидрогеологической съемкой масштаба 1:200 000. Большой размах приобрели работы по разведке и оценке эксплуатационных ресурсов подземных вод. Для этой цели ежегодно бурится до 1,5 миллионов гидрогеологических скважин. Только в 1971-75 годах была проведена разведка и утверждены эксплуатационные запасы подземных вод для водоснабжения 650-ти городов и крупных поселков страны. В их число входили Воронеж, Иркутск, Тбилиси, Ереван, и др.

В конце 80-х – начале 90-х годов прошлого века четко обозначились два новых направления: прогностическое и экологическое. Первое направление возникло благодаря внедрению в структуру гидрогеологических исследований новых высоких технологий программирования и моделирования, усиления нагрузки на подземную гидросферу, вызванной необходимостью развертывания эколого-гидрогеологических исследований. Так, например, картографирование подземных вод стало эколого-гидрогеологическим. Заметно увеличилось количество, и расширилась тематика публикаций по этой проблеме. Особенно важное значение имели работы Н.И. Плотникова, А.А. Карцева, И.И. Рогинца (1992), В.А. Мироненко и В.Г. Румынина (1997), коллектива авторов ВСЕГИНГЕО под редакцией Г.С. Вартаняна (2001) и др.

Примерно с середины ХХ-го века начались работы по изучению гидрогеологии дна Мирового океана. Были установлены проявления термальных вод в рифтовых зонах и связанные с ними области скопления рудных залежей и железомарганцевых конкреций, пробурены сотни скважин, вскрывших океаническую кору с помощью специально оборудованных судов («Гломар Челленджер» и др.). Таким образом, в гидрогеологии появилось еще два новых ответвления: морская гидрогеология и океаническая гидрогеология.

Следует также отметить важную область деятельности гидрогеологов: различного рода конференции, совещания, семинары. Они приобрели систематический характер и позволяют обмениваться мнениями, подводить итоги исследований и намечать перспективы на будущее. Среди таких мероприятий отметим Толстихинские чтения, проводящиеся в Санкт-Петербургском государственном горном институте с 1992 года. Такого рода мероприятия систематически проводятся в Московском государственном университете, Московской геологоразведочном университете, Томском политехническом университете, Институте Земной коры академии наук в г. Иркутске, в Санкт-Петербургском государственном университете.

Остановимся в заключение на учебной литературе, издаваемой по основам гидрогеологии. Наиболее полное издание было подготовлено академиком Ф.П. Саваренским в 1935 году. Его основные положения стали своего рода компасом для последующих изданий учебников по общей гидрогеологии (О.К. Ланге, 1950, А.М. Овчинников, 1955, П.П. Климентов и В.Я.Богданов, 1987). Наиболее удачным, на взгляд автора, был учебник А.М. Овчинникова. В нем высокая научность содержания сочеталась с простотой и доходчивостью изложения.

В учебниках, которые вышли в последние годы: под редакцией В.М. Шестакова, М.С. Орлова (Московский государственный университет, 1982), В.А. Кирюхина, А.И. Короткова и А.Н. Павлова (Ленинградский горный институт, 1988), С.Л. Шварцева (Томский политехнический институт, 1995), В.В. Тихомирова (Санкт-Петербургский государственный университет, 2003) изложение материалов ведется на новом уровне с учетом современных достижений гидрогеологии. Вместе с тем все эти работы не похожи друг на друга. Каждая из них по-своему излагает проблемные вопросы гидрогеологии. Наш учебник тоже имеет свою специфику, в чем можно убедиться, прочитав его.