- •130302 « Поиски и разведка подземных вод и инженерно-геологические изыскания,
- •Предисловие
- •1. Введение
- •Понятие «гидрогеология»
- •Методы исследований в гидрогеологии
- •Основные разделы гидрогеологии
- •Основные проблемы гидрогеологии
- •Основные этапы развития гидрогеологии
- •Системный подход в гидрогеологии
- •2.Вода в геосферах Земли
- •3. Строение подземной гидросферы
- •4. Понятие «Геологический круговорот воды»
- •4.1 Геологическая форма движения воды и ее разновидности
- •4.2 Этапы геологического круговорота
- •5. Понятие гидрогеологические структуры. Структурные типы подземных вод
- •6. Подземные водные резервуары
- •7. Гидрогеологический цикл
- •8. Проблема формирования подземных вод и её сущность
- •8.1. Формирование ресурсов подземных вод
- •8.2 Процессы формирования состава подземных вод
- •9. Гидросфера
- •9.1. Эволюция гидросферы Земли
- •9.2. Гидрогеологическая стратификация (г.С.)
- •9.3. Границы и объем гидросферы
- •9.4. Физические поля Земли, гидрогеологические закономерности и законы гидрогеологии
- •10. Виды воды в горных породах
- •11. Некоторые физические и водные свойства горных пород
- •11.1. Гранулометрический состав и его значение в гидрогеологии
- •11.2. Пористость и трещиноватость
- •11.3. Проницаемость
- •11.4. Пьезопроводность и уровнепроводность
- •11.5. Влажность
- •11.6 Влагоемкость и водоотдача
- •11.7. Водо-, нефте- и газонасыщенность
- •11.8. Капиллярность
- •12. Основные виды движения подземных вод
- •12.1 Элементы фильтрационного потока. Закон Дарси
- •12.2. Методы определения коэффициента фильтрации
- •12.3. Водопроводимость
- •12.4. Установившееся и неустановившееся движение
- •13. Гидрогеотермия
- •13.1. Гидрогеотермический режим земной коры
- •13.2 Виды теплопереноса
- •13.3 Геотермические зоны земной коры
- •13.4 Геотемпературное поле
- •13.5 Практическое применение геотермических методов в гидрогеологии
- •14. Свойства и состав природных вод
- •14.1 Распространение воды на Земле и уникальность ее свойств
- •14.2 Строение и структура воды
- •14.3 Изотопный состав воды
- •14.4 Физические свойства воды
- •14.5. Химический состав воды
- •14.6 Бактериологический состав воды
- •14.7 Газовый состав воды
- •14.8. Жесткость воды
- •14.9. Агрессивность воды
- •15. Классификация подземных вод и их краткая характеристика
- •15.1. Понятие режима подземных вод
- •15.2 Классификация подземных вод а.М. Овчинникова и ее сущность
- •16. Вертикальная гидрогеологическая зональность подземных вод. Инверсии
- •17. Трещинные и жильные воды
- •18. Карстовые воды
- •18.1 Особенности режима и химического состава карстовых вод
- •19. Подземные воды криолитозоны
- •19.1 Надмерзлотные воды
- •19.2 Межмерзлотные воды
- •19.3 Подмерзлотные воды
- •20. Источники
- •20.1 Классификация источников
- •20.2 Режим источников
- •21. Проблемы экологической гидрогеологии
- •21.1. Загрязнение подземных вод
- •21.2. Истощение подземных вод
- •21.3. Особенности эколого-гидрогеологических исследований
14.6 Бактериологический состав воды
Микробиологические исследования воды проводятся для различных целей (санитарная оценка питьевой воды, поиски нефтегазовых и рудных месторождений, оценка характера и интенсивности биохимических процессов, протекающих в подземных водах и др.). Главным показателем фекального загрязнения питьевых вод служит кишечная палочка (Bacteriym Colis). Для оценки санитарного состояния воды определяется содержание одной кишечной палочки в единице объема воды (Coli – титр) (табл.7). Чем качественнее вода, тем в больших объемах удается обнаружить кишечную палочку, и наоборот. По Соli-титру существует классификация бактериологического состояния воды.
Таблица 7.
Классификация бактериологического состояния воды.
ГРУППА |
КОЛИЧЕСТВО КИШЕЧНЫХ ПАЛОЧЕК, В МЛ ВОДЫ |
БАКТЕРИОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ВОДЫ |
1 |
100 |
Здоровая |
2 |
10 |
Достаточно здоровая |
3 |
1 |
Сомнительная |
4 |
0,1 |
Нездоровая |
5 |
0,01 |
Совершенно нездоровая |
В районах распространения эпидемии тифа или холеры обязательно определяют в воде наличие возбудителя брюшного тифа и холерного вибриона.
Характерной микрофлорой при поисках нефтегазовых месторождений являются бактерии, окисляющие метан, пропан; бактерии, разлагающие соли жирных кислот, бактерии, развивающиеся в атмосфере парообразных углеводородов – пентана, гексана или гептана.
При поисках сульфидных руд индикатором могут являться некоторые виды тионовых бактерий, а редкометальных руд – Thiobacillus thiooxidans, Th.denitrificans, Th.ferrooxidans. Последний по данным многих исследователей способствует окислению многих минералов – пирита, халькопирита, ковеллина, халькозина и др. Это подтверждено специальными лабораторными экспериментами.
Микрофлора играет огромную роль в комплексе геохимических и гидрогеологических процессов, протекающих в земной коре. Это одна из важных составляющих геохимических системы В.И. Вернадского.
Количество бактерий в водах определяется прямым счетом на мембранных фильтрах и может достигать нескольких сотен милликлеток в 1 мл.
Воды более глубоких горизонтов закрытых структур обеднены бактериями по сравнению с грунтовыми.
В общем случае в подземных водах развиваются разнообразные по своей биохимической деятельности микробы: бактерии, разлагающие белковые соединения, углеводы, жиры; бактерии, участвующие в круговороте серы, углеводорода и др.
Отбор проб воды на микробиологический анализ производится только в предварительно простериллизованную посуду.
14.7 Газовый состав воды
Газы являются одной из ведущих составляющих подземной гидросферы. По В.И. Вернадскому, они определяют всю химию воды и находятся в динамическом равновесии: подземные воды – природные газы. Между свободными и растворенными газами также существует динамическое равновесие, определяемое температурой, давлением и соленостью воды. Основными газами подземной гидросферы являются О2, N2, СО2, Н2S, СН4, С nН2n+2 , Н2 , NН3 , Не, Rn и другие. В осадочных породах, по В.А. Соколову, содержится 2,14·1014т газов, среди которых преобладают СН4 (39%), СО2 (27%),N2(26%), тяжелые УВ (6,4%), Н2S (0,3%) и Н2 (0,2%). В газах магматических пород преобладает СО2 (83,8%).
Содержание газа в воде определяется газонасыщенностью, под которой понимается объем газа, растворенный при 00С и нормальном давлении в 1 л воды. Газонасыщенность обычно выражается в объемах (мл/л) или весовых (мг/л) единицах. Объем растворенного газа в воде характеризуется также давлением насыщения или упругостью газа, т.е. величиной давления, которая удерживает газ в водорастворенном состоянии. В единицах СИ давление насыщения выражается в мегапаскалях (МПа). 1 атм = 0,1 МПа.
Способность к растворению газов в воде определяется коэффициентом растворимости каждого газа, т.е. количеством газа, насыщающего 1 л воды при 00С и нормальном давлении. С ростом температуры коэффициент растворимости газов, а значит, и их растворимость вначале понижаются (табл. 8), но при температуре выше 80-900С растут. С повышением давления растворимость газов растет значительно быстрее. Например, растворимость метана в дистиллированной воде при Т=700С с повышением давления увеличивается следующим образом: при 7 МПа оно составляет 1175,5, а при 28 МПа – 3129,9 см3/л.
При одновременном увеличении давления и температуры свыше 1000С растворимость газа растет особенно резко. Поэтому на глубине 2-3 км воды содержат значительно больше газов, чем у дневной поверхности. Так, в водах океанов и морей содержится лишь 13 см3/л азота и 30 см3 /л кислорода. В подземных водах на глубине 3-4 км в среднем растворено примерно 500 см3/л газов, а в нефтегазоносных бассейнах, по данным А.А. Карцева, даже 1000-1500 см3/л, из которых основную часть составляет метан.
Таблица 8
Растворимость газов в воде, мл/л (по Ф.Ф. Лаптеву, И.Ю. Соколову)
Газ |
Температура, 0С | |||||
0 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 | |
Азот(N) |
23,5 |
18,6 |
15,5 |
13,4 |
11,8 |
10,9 |
Водород (Н2) |
21,7 |
19,8 |
18,2 |
17,2 |
16,6 |
16,3 |
Кислород (О2) |
48,9 |
38,0 |
31,0 |
26,1 |
23,1 |
20,9 |
Метан (СН4) |
55,6 |
41,8 |
33,1 |
27,6 |
23,7 |
21,3 |
Сероводород (Н2S) |
4670 |
3400 |
2580 |
2040 |
1660 |
1390 |
Диоксид углерода (СО2) |
1710 |
1190 |
878 |
665 |
530 |
436 |
Максимально достоверные концентрации газов в воде установлены следующие: кислород - 20 мг/л, сероводород - 37 г/л, диоксид углерода - 40 г/л, метан +ТУ - 13000 см3/л, азот - 1200 мл/л, водород - 1500 мл/л и т.д. Общее же количество растворенных в подземной гидросфере газов, по данным В.Н. Корценштейна, достигает 10 млрд. км3, в том числе в свободных подземных водах верхнего 5- километрового слоя-0,15 млрд. км3, или 1,5·1017 м3.
Рост минерализации воды оказывает обратное влияние на растворимость газа, так как сказывается так называемый эффект высаливания. Например, растворимость метана при 200С и Р = 5 Мпа в водах с минерализацией 20 г/л составляет 1,23, а в воде с минерализацией 200 г/л – только 0,43 см3/л.
По генезису газы в подземных водах делятся на четыре основные группы:
газы атмосферного происхождения (О2, СО2, N2, Аr, Кr, Nе), которые проникают в подземную гидросферу из воздуха;
газы биохимического происхождения (СН4, Н2S, СО2, N2, тяжелые углеводороды), образующиеся при разложении микроорганизмами органических и минеральных веществ;
газы метаморфического и магматического происхождения (СО2, Н2, СО, N2, реже НСl, НF, SО2, NН3, Не – из мантии), образующиеся при повышенных температурах и давлениях в результате преобразования карбонатных и глинистых минералов и воздействия магматических расплавов;
газы радиоактивного происхождения (Не, Rn, Аr, 3Н), образующиеся в результате радиоактивного распада.
Газы атмосферного происхождения распространены преимущественно в инфильтрационных водах, развитых в зоне активного водообмена; биохимического генезиса – в седиментационных водах зоны весьма затрудненного водообмена; метаморфического генезиса – в глубинных водах, включая районы древнего и современного магматизма, альпийской складчатости; магматического генезиса – в зонах спрединга и рифта; радиоактивного генезиса – в породах с наибольшей радиоактивностью.
По данным А.М. Овчинникова, А.В. Щербакова, Л.М. Зорькина и др., с глубиной резко меняется газовый состав и газонасыщенность подземных вод. Если в неглубоких водах зоны активного водообмена преобладают кислород и азот при газонасыщенности не более 100 мл/л, то в глубоких водах зоны затрудненного водообмена преобладающим газом становится метан, а газонасыщенность вод достигает 10 000 мл/л и более. С глубиной уменьшается роль азота и возрастает роль СО2, Н2S, и Н2 (при преобладающем значении СН4 + ТУ).
Вертикальная зональность газового состава подземных вод связана в основном с их генезисом в различных гидрогеологических и геохимических условиях. Зональность может нарушаться в связи с проявлением азональных явлений. Так, в зоне развития кислородно-азотных газов могут проявляться наложенные зоны радоновых, углекислых, азотных и других газов.