u_lectures

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Сибирский федеральный университет»

Авторы: Ю.Б. Дворецкая Ж.Л.Цыкина

Гидрогеология и инженерная геология

Конспект лекций

Красноярск, 2008

1

УДК 551.49+624.131.1

Изложены основы гидрогеологии и инженерной геологии. Приведены сведения об общей и горнопромышленной гидрогеологии, динамике подземных вод. Подробно охарактеризованы гидрогеологические задачи, решаемые при освоении обводненных месторождений твердых полезных ископаемых. Уделено внимание грунтоведению, инженерной геологии массивов горных пород и инженерной геодинамике. Рассмотрен состав инженерногеологических изысканий на месторождениях твердых полезных ископаемых.

Для студентов специальности 130301 «Геологическая съемка, поиски и разведка месторождений полезных ископаемых» очной формы обучения.

2

1.4.2.Основные факторы формирования химического состава подземных вод ……………………………………………... 39

1.4.3.Макрокомпоненты в подземных водах …………………... 42

2.Динамика подземных вод …………………………………………. 47

2.1.Основы гидродинамики …………………………………….. 47 2.1.1. Виды движения воды в горных породах. Основные зако-

2.2.2.Классификация эксплуатационных запасов подземных вод по степени изученности ………………………………. 65

3

стр.

2.2.3.Методы определения эксплуатационных запасов подземных вод ……………………………………………... 70

2.2.4.Понятия о месторождениях пресных подземных вод.

Типы месторождений ……………………………………... 72

2.2.5.Условия эксплуатации и охрана подземных вод от загрязнения ……………………………………………... 74

2.2.6.Требования к геологической информации в процессе

3.1.Гидрогеологические исследования на месторождениях полезных ископаемых ………………………………………. 77

3.1.1. Стадии исследований и виды работ ……………………… 77

3.1.2.Методы определения притоков воды в горные выработ-

ки ……………………………………………………………. 81

3.1.3.Способы и средства осушения месторождений полезных

ископаемых ………………………………………………… 83

3.1.4.Осушение месторождений полезных ископаемых и защита окружающей среды …………………………………. 88

3.2.Гидрогеохимические методы поисков месторождений по-

лезных ископаемых …………………………………………. 89

3.2.1. Качество гидрохимической среды ……………………….. 90

3.2.2.Термодинамический метод анализа гидрохимических систем ………………………………………………………. 92

3.2.3.Формы миграции химических элементов в водных рас-

творах ………………………………………………………. 94

4.Инженерная петрология …………………………………………... 101

4.1.Основы грунтоведения …………………………………….. 101

4.1.1.Предмет и содержание инженерной геологии …………... 101

4.1.2. Региональная инженерная геология ……………………… 103

4.1.3.Физико-механические свойства горных пород и методы их искусственного улучшения ……………………………. 106

4.1.4.Горно-геологические массивы ………………………........ 118

5.Инженерная геодинамика …………………………………………. 121

5.1.Экзогенные геологические и инженерно-геологические процессы и явления …………………………………………. 121

5.1.1.Инженерная геодинамика …………………………………. 121

4

5.2.Инженерно-геологические исследования в криолитозоне . 131

5.2.1.Многолетнемерзлые породы, состав, строение и условия залегания …………………………………………………… 132

5.2.2.Экзогенные геологические процессы в криолитозоне ….. 134

5.2.3.Особенности инженерно-геологических исследований в криолитозоне ………………………………………………. 136

5.3.Инженерно-геологические исследования при разведке и разработке месторождений полезных ископаемых ………. 139

5.3.1.Факторы, оказывающие влияние на инженерногеологические условия ……………………………………. 139

5.3.2.Типизация месторождений по инженерно-геологическим условиям …………………………………………………… 140

5.3.3.Требования к инженерно-геологическому изучению ме-

сторождений ……………………………………………….. 141

Список литературы ……………………………………………………... 146

5

Введение

Курс лекций по дисциплине «Гидрогеология и инженерная геология» рассчитан для студентов специальности 130301 «Геологическая съемка, поиски и разведка месторождений полезных ископаемых» очной формы обучения дисциплина преподается на кафедре Геологии месторождений и методики разведки в 9 семестре обучения.

Как известно, подземные воды при разработке месторождений полезных ископаемых имеют весьма существенное значение, обусловливая необходимость проведения мероприятий по борьбе с притоками подземных вод в горные выработки. Выбор тех или иных осушительных мероприятий и их эффективность всецело зависят от характера гидрогеологических условий месторождения (группы сложности) и степени гидрогеологической изученности конкретных месторождений. В соответствии с этим горные инженеры, под непосредственным руководством которых осуществляются все разведочные работы, а также ведущие всю полевую производственно-техническую и геологическую документацию при бурении, должны обладать минимумом знаний по гидрогеологии и инженерной геологии, что является необходимым условием для обеспечения нужного качества разведочных работ.

Гидрогеологии в курсе лекций уделено большее внимание, т.к. в основе определения физико-механических свойств горных пород находится вода, при взаимодействии с которой изменяются прочностные характеристики пород. При обводненности месторождений полезных ископаемых это проявляется особенно интенсивно. Например, при разработке месторождений наблюдается пучение глинистых пород в подошве карьера, что связано с фильтрацией воды через слабопроницаемые породы. Многие горно-геологические явления, проявляющиеся в бортах открытых горных выработок и стволах подземных, связаны с деятельностью именно подземных вод, это карстовые явления, плывуны, суффозионные явления и др. Поэтому изучению динамики подземных вод, определению притоков воды в горные выработки и методам борьбы с подземными водами при освоении месторождений полезных ископаемых уделяется большое значение.

6

Модуль № 1 «Гидрогеология»

Раздел 1. Общая гидрогеология

Тема 1.1. Введение в гидрогеологию

План:

1.1.1.Представления о воде. Научное содержание современной гидро-

геологии

1.1.2.Общий круговорот воды в природе

1.1.3.Вода в атмосфере и на поверхности Земли

1.1.1.Представления о воде. Научное содержание современной

гидрогеологии

Президент Академии наук СССР академик А.П. Карпинский, приветствуя первый гидрогеологический съезд (1931 г), отмечал, что «…нет наиболее драгоценного полезного ископаемого как вода… для жизни, для земледелия, для всего вода есть самое главное ископаемое».

Нет ни одной сферы деятельности человека, где бы ни использовалась вода. Водные ресурсы определяют богатство стран континента, уровень развития промышленности и сельского хозяйства.

На Земном шаре потребляется свыше 8 млрд. м3 воды в сутки. Общие запасы всех видов воды в свободном состоянии оцениваются как 1386 млн. км3. Основные запасы всех видов воды сосредоточены в Мировом океане и оцениваются в 1338 млн. км3.

Во время Международного гидрологического десятилетия установлено, что суммарные запасы всех видов пресных вод суши оцениваются цифрой 35 млн. км3, что составляет всего лишь 2,5 % общего количества воды на Земле. Более 24 млн. км3 пресных вод находятся в законсервированном виде в ледниках и снежном покрове Арктики, Антарктиды и Гренландии. Запасы подземных вод, которые являются основным источником водоснабжения для многих стран, составляют немногим более 10,5 млн. км3. В связи с этим подземные воды на протяжении столетий являются объектом всестороннего изучения.

Наука о подземных водах земной коры и мантии, об их распределении, истории развития, составе и динамике называется гидрогеологией.

Зарождение отечественной гидрогеологии относится к 80-м годам ХIХ в. и связано с решением таких проблем как водоснабжение городов и сельскохозяйственных объектов, обводнение месторождений полезных ископаемых, использование подземных вод для лечебных целей.

7

По мере накопления сведений о подземных водах гидрогеология выделяется в самостоятельную науку из геологических дисциплин и объединяет обширный круг вопросов как теоретических, так и практических, которые рассматриваются в основных ее разделах: общая гидрогеология; региональная гидрогеология; динамика подземных вод; гидрогеохимия.

Прикладными разделами гидрогеологии являются: поиски и разведка месторождений подземных вод; мелиоративная гидрогеология; рудничная гидрогеология; гидрогеология месторождений нефти и газа; инженерная гидрогеология.

В настоящее время наряду с количественными методами оценки гидрогеологических процессов широко используются методы числового моделирования, математической физики, ЭВМ, позволяющие качественно по-новому решать большой комплекс гидрогеологических задач в самых сложных условиях.

Для специалистов-геологов первоочередными являются вопросы гидрогеологических исследований при разведке и освоении месторождений полезных ископаемых. Наиболее крупные и ответственные исследования проводятся в связи с осушением месторождений полезных ископаемых. Снижение уровня подземных вод на значительных площадях за счет водопонижения требует самой тщательной увязки схем осушения месторождений с вопросами водоснабжения прилежащих районов, ирригации и мелиорации земель.

Водопонижение на больших площадях вызывает осадку земной поверхности и толщи горных пород с последующими деформациями сооружений, например, шахтных стволов. Для прогноза этих явлений необходима комплексная увязка гидрогеологических методов исследований с инженерногеологическими.

К проблеме осушения примыкает проблема выемки полезных ископаемых под водными объектами – реками, водоемами, крупными водоносными горизонтами. Решить эту проблему можно путем привлечения гидрогеологических методов.

1.1.2. Общий круговорот воды в природе

Полное представление о круговороте воды, в котором Мировой океан является источником всех вод, куда они, в конечном счете, и возвращаются, сложилось в конце XVII в.

Баланс круговорота воды в природе обстоятельно рассмотрен в монографии М.И. Львовича "Элементы водного режима рек земного шара (1945 г.). По его данным в атмосфере содержится около 14000 км3 воды, что в 11,6 раз больше, чем в реках. Это количество воды меняется каждые 10 сут. Объем всех речных вод составляет 1200 км3 и меняется каждые 11–12 сут, в то время как подземные воды обновляются от 330 лет до 10000.

8

Для определения стока М.И. Львович построил мировую (кроме Антарктиды) схематическую картину распределения годового стока в масштабе 1:75 000 000. Согласно данным М.И. Львовича, круговорот воды на Земном шаре представляется схемой (рис. 1).

Рис. 1. Круговорот воды на Земном шаре:

Xо – осадки, выпадающие на океан; Zо – испарение с поверхности океана; Xсо – осадки в сточных областях суши; Zсо – испарение в сточных областях суши; Xзо - осадки в замкнутых областях суши; Zзо – испарение в замкнутых областях суши

Таким образом, исходя из предложенной схемы, был сформулирован закон круговорота воды в природе, который гласит, что количество воды, испарившееся с поверхности Мирового океана и суши, равно количеству осадков, выпавших на Земном шаре.

Как видно из предложенной схемы, учитывается количество воды, связанное, прежде всего, с климатическими условиями (осадки и испарение) и не рассматривается круговорот воды внутри земной коры в разных термодинамических оболочках и в процессе геохимических явлений.

Для полного представления круговорота воды в природе необходимо рассматривать два круговорота: гидрологический (климатический) и геологический [18]. В результате гидрологического круговорота происходит непрерывное восполнение запасов подземных вод. На земной поверхности происходит разделение выпавших атмосферных осадков (Х): одна часть этих осадков (Z) тут же снова испаряется в атмосферу, вторая часть, стекающая по поверхности Земли в сторону Мирового океана, образует поверхностный сток (Yпов.) и, наконец, третья часть протекает через почву в горные породы, обра-

зуя подземный сток (Yподз.).

Количественно выражение процесса гидрологического круговорота воды и его отдельных звеньев может быть охарактеризовано с помощью водно-

9

го баланса. Соотношение элементов водного баланса – осадков, испарения, поверхностного и подземного стоков в определенных физико-географических условиях для многолетнего периода в среднем практически постоянны и определяют средние расходы рек и водные ресурсы конкретного региона.

Геологический круговорот обусловлен непрерывным движением земной коры в вертикальном и горизонтальном направлениях в соответствии с общей геологической жизнью Земли. Геологический круговорот складывается из седиментационного, метаморфогенного и, иногда, магматического этапов.

Седиментационный – это захоронение осадков и огромных масс воды, связанных с ними. Погружение и уплотнение осадков сопровождается отжатием воды (элизионный режим) и ионным ее разложением. Выжимаемая вода может возвращаться в водоем, где происходит осадконакопление, но в дальнейшем она отжимается в коллекторы, преимущественно песчаные, залегающие между уплотненными слоями глин. Особенно интенсивно седиментационный этап протекает на глубинах 2–3 км.

В геосинклинальных условиях геологический круговорот воды не заканчивается седиментационным этапом, т.к. продолжающееся прогибание территории приводит к дальнейшему погружению осадочных пород. Находящиеся в них воды высвобождаются уже в процессе метаморфизма. После уплотнения и полной литификации осадков объем оставшейся в них физически связанной воды составляет до 5 % объема пород. В зоне метаморфизма эти воды, а также химически связанные воды, входящие в состав глинистых минералов, выделяются в виде свободных вод. При этом происходит дегидратация горных пород, а также дегидроксилирование (выделение гидроксильной группы ОН-), выделение ионов водорода и кислорода, которые образуют молекулу воды. Количество воды, выделяющейся на метаморфогенном этапе, может составлять 15–25 вес. %.

Процессы метаморфизма в большинстве случаев вызваны резким изменением тектонического режима территории, когда опускание сменяется поднятием и регрессией моря. Создается горноскладчатая система. Процесс горообразования сопровождается раздроблением территории на отдельные части, возникновением магматических процессов с вулканическими проявлениями. Все это приводит к тому, что седиментационные воды вступают в активное взаимодействие с глубинными растворами и газами магматического происхождения.

Открытые разломы земной коры в процессе магматической деятельности способствуют активной миграции захороненных вод и вовлечению их в среду действия гидрологического круговорота.

Гидрологический и геологический круговороты совершаются главным образом в пределах земной коры, но в своем проявлении связаны с водой ниже- и вышележащих оболочек Земли. Хотя водообмен осуществляется с разной скоростью и различается различными масштабами, оба круговорота тесно

10