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.