1. Содержание, история и методологические основы гидрогеологии

1. Предмет и содержание гидрогеологии

Гидрогеология – наука о происхождении, условиях залегания, закономерностях распространения и движения подземных вод в земной коре, их физических свойствах, химическом, бактериальном и газовом составе, а также об их режиме и процессах взаимодействия с атмосферой, наземной гидросферой, биосферой, горными породами и веществом мантии Земли.

Гидрогеология является частью геологии и изучает подземные воды на основе анализа истории развития земной коры

Значение подземных вод, как одного из наиболее подвижных тел земной коры, исключительно велико во всех геологических процессах.

Очень важна роль подземных вод в практической деятельности человека. Издавна подземные воды используются для питья и хозяйственных целей.

Подземные воды широко используются для лечебных целей (различные минеральные воды).

Исключительная роль принадлежит подземным водам как источнику химического сырья. Из них во многих странах добывается бор, натрий, литий, магний, хлор, бром, йод, в меньших объёмах германий, рубидий, стронций, кальций, цезий, а также медь, цинк, уран, радий, вольфрам, мышьяк, сера и др.

Серьёзное значение подземные воды имеют как источник тепловой энергии. Теплоснабжение за счёт термальных вод частично осуществляется на Камчатке, в Тюменской и Омской областях и в Бурятии.

В некоторых случаях подземные воды являются вредным фактором и играют отрицательную роль. При строительстве гидротехнических сооружений, тоннелей, метрополитенов, при разработке месторождений полезных ископаемых подземные воды часто осложняют ведение работ и требуют значительных капиталовложений для борьбы с ними.

Ценность воды, как природного минерала, связана с её исключительными свойствами:

исключительная подвижность;

способность к фазовым переходам в термодинамических условиях земной коры;

чрезвычайная химическая активность;

повсеместное распространение

Земная кора на 2/3 закрыта океанами, но оставшаяся 1/3 суши пропитана водой. По мнению ряда авторов количество подземных вод в земной коре соизмеримо с количеством поверхностных.

Исходя из практических целей, чаще учитывают только свободные и физически связанные воды верхней части земной коры до глубины 5 км. В этом случае доля подземных вод в общем балансе всех природных вод относительно невелика (табл. 1)

Объём гидросферы (по М.И.Львовичу)

Сложность и многообразие вод на Земле привели к тому, что это единственное природное тело изучается целым рядом наук. Кроме гидрогеологии, природные воды изучаются океанологией, гидрологией, метеорологией, гляциологией, гидравликой и в меньшей степени минералогией, вулканологией, почвоведением, петрографией и геохимией, с которыми гидрогеология имеет генетическую связь. Кроме того, являясь наукой геологической, она тесно связана с общей геологией, геоморфологией, динамической геологией, тектоникой, структурной геологией и учением о месторождениях полезных ископаемых методиками исследований.

2. Разделы гидрогеологии и методы исследований

Внутри гидрогеологии развивается целый ряд самостоятельных научных направлений, которые можно разбить на две группы.

К первой группе относятся общая гидрогеология, гидрогеодинамика, гидрогеохимия, палеогидрогеология, региональная гидрогеология и экологическая гидрогеология.

Общая гидрогеология рассматривает вопросы происхождения, формирования, геологической роли подземных вод, их физические и химические свойства, изучает структуру, состав и строение подземной гидросферы.

Гидрогеодинамика исследует закономерности движения подземных вод под влиянием искуственных и естественных факторов: фильтрацию, конвекцию, диффузию, осмос, капиллярный перенос с учётом конкретной структуры подземного потока, определяемого геологическими особенностями территории.

Гидрогеохимия изучает особенности миграции атомов химических элементов в подземной гидросфере, процессы изменения состава подземных вод и их обогащение разнообразными элементами при взаимодействии с горными породами в течение длительной истории геологического развития водонапорных систем. На результатах изучения условий миграции и накопления отдельных химических элементов основаны широко применяющиеся гидрогеохимические методы поисков. Важнейшим вопросом гидрогеохимии является выявление путей формирования разнообразных геохимических типов подземных вод, а также прогноз изменения их качества. Региональная гидрогеология – наука о связи пространственно-временного распределения подземных вод в земной коре с характером и историей развития геологических структур. Она занимается изучением закономерностей условий залегания, распространения и формирования подземных вод в конкретных регионах. Проблемный вопрос – роль геологической структуры в формировании ресурсов и состава подземных вод в конкретном регионе.

Палеогидрогеология изучает былые подземные гидросферы в тесной связи со становлением и развитием литосферы. Она же восстанавливает палеогидрогеологические условия конкретной территории, включая геологическую роль воды в формировании месторождений полезных ископаемых.

Экологическая гидрогеология делает первые шаги. Строительство водохранилищ, вырубка лесов, распашка земель, разработка месторождений полезных ископаемых и другие виды деятельности человека во многом изменили режим и состав подземной гидросферы, масштабы которого не всегда поддаются простому учёту. Возникла проблема глобального управления подземной гидросферой с целью оценки масштабов возможных изменений геологической и окружающей среды

Ко второй группе направлений гидрогеологии относятся прикладные дисциплины, определяемые запросами производства. Сюда относятся:

поиски и разведка подземных вод,

разведочная гидрогеология,

гидрогеология месторождений полезных ископаемых (рудных и нефтяных),

мелиоративная гидрогеология,

гидрогеохимические поиски месторождений полезных ископаемых,

гидрогеология городов и охрана подземных вод.

Все эти направления тесно связаны и базируются на методах, применяемых в других науках о Земле.

Картирование территории – один из основных методологических приёмов, применяемых прежде всего для изучения региональных закономерностей.

Изучение гидросферы, как продукта длительного геологического развития, невозможно без генетического (исторического) подхода.

Вода отличается от других геологических объектов постоянным движением, участием в круговоротах. Формы её движения различны (гравитация, диффузия, фильтрация, конвекция, осмос, капиллярный перенос) в общем виде являются частью геологического движения. Познать его невозможно без математического, термодинамического, физико-химического и гидравлического моделирования.

Гидрогеология, как и другие геологические науки, опирается на принцип актуализма.

3. Подводя итог, можно сказать следующее: «Гидрогеология – это наука о подземной гидросфере, её генезисе, истории развития, составе, о закономерностях пространственного распределения и формирования, взаимодействия с другими оболочками земной коры, охраны, управления и использования». История и этапы развития гидрогеологии

Гидрогеология, подобно другим областям знаний, возникла в глубокой древности из практических потребностей человека, но оформилась как наука только в конце XIX в., хотя отрывочные сведения о подземных водах можно найти еще в документах, относящихся к весьма отдаленным периодам истории развития че­ловеческого общества.

Так, на Ближнем Востоке строили колодцы большого диаметра и глубиной до 50 м уже в V-III вв. до н.э. Эти колодцы располагались вдоль караванных путей и обеспечивали водой всех путешественников.

Первые каменные водопроводы в Древней Греции и Риме изве­стны уже в VII-VI в. до н. э. На острове Самос (Греция) был сооружен подземный тоннель длиной 1200 м для водоснабжения города Мегора.

В 312 г. до н. э. был построен подземный само­течный тоннель в г. Аффлиано длиной около 5 км для перехвата воды в известняках.

Близкие взгляды позже развивал древнегреческий философ Пла­тон (427-347 гг. до н.э.), который источником всей речной воды считал огромную подземную пещеру, куда по каналам поступает морская вода. Правда, некоторые историки науки утверждают, что в свое время труды Платона прочитали не совсем верно, и его идеи, оказавшие большое влияние вплоть до средних веков, восприняты неправильно. В своем труде, по их мнению, Платон якобы довольно точно описывает круговорот воды в природе.

Не так к проблемам подземных вод подходили мыслители Ближнего Востока и Средней Азии. Примером являются труды выдающегося арабского философа, уроженца Хорезма Аль-Бируни (972 или 973-1048 гг.), который опередил европейских ученых на шесть-семь столетий в понимании природы фонтаниру­ющих источников и причинах гидростатического напора. Он первым догадался, что для того чтобы вода била вверх, она должна поступать из подземных хранилищ, залегающих выше места распо­ложения родника.

Другим примером является труд персидского исследователя Каради "Поиски скрытых подземных вод", в котором по сути правильно, хотя и формально, дано представление о круговороте воды, ее напоре и качестве, описаны методы поис­ков, включая бурение.

В середине XIX в. в гидрогеологии разрабатываются законы движения подземных вод. Так, в 1856 г. французский инженер Анри Дарси (1803-1858 гг.), занимаясь проблемами водоснабжения города Дижона, установил основной закон фильтрации в пористом грунте, известном сейчас как линейный закон фильтрации, или закон Дарси, являющийся базовым в подземной гидродинамике.

Наряду с гидродинамикой ведется глубокое изучение и хи­мии воды. В этом плане нельзя не назвать величайшее откры­тие XIX в., посвященное закону периодической системы элементов великого русского химика Д.И. Менделеева. Этот закон является одним из фундаментальных в области естествознания и является основополагающим для правильного понимания химии всех водных растворов земли и базовым для геохимии в целом и гидрогеохимии в частности.

В дальнейшем гидрогеология развивалась по нескольким направ­лениям:

1) региональному - исследовались все новые и новые бассейны подземных вод в разных странах мира и геологических структурах;

2) генетическому - в научный анализ включались воды все более и более глубоких горизонтов: соленые, рассолы, термальные;

3) гидродинамическому - вывод новых формул и выявление закономерностей движения воды разных видов в различ­ных геологических структурах, математическое моделирование;

4) гидрогеохимическому - исследование состава и условий форми­рования разнообразных типов воды, использование полученных данных в решении различных задач, включая поиски полезных ископаемых;

5) палеогидрогеологическому - история воды и ее геологическая роль;

6) экологическому - охрана, рациональное использование и управление подземными водами. Это последнее направление исследований только начинается. Остановимся только на некоторых наиболее общих достижениях гидрогеологии до обоб­щающих работ В. И. Вернадского.

Все более глубокое проникновение в недра земли вскрыло широкое развитие в них соленых вод и рассолов, генезис которых нельзя было объяснить инфильтрацией атмосферных осадков. Возникла идея наличия в земных недрах ископаемых вод морского генезиса. Эта идея высказана независимо друг от друга австрийским геологом Г. Гёфером (1902 г.), русским академиком Н.И. Андрусовым (1908 г.) и американским гидрологом А. Ч. Лейном (1908 г.). Так, идея древних мыслителей о проникновении морской воды получила новое рождение, правда, на принципиально новой основе. Ископа­емые воды — воды древних морей попадают в недра Земли вместе с захоронением донных отложений и сохраняются в течение геоло­гически длительного времени как реликт морских бассейнов про­шлых геологических эпох. Как видим, механизм проникновения морской воды в недра оказался совершенно не таким, как представ­лял себе А. Кирхер.

Разработка идеи геологического круговорота воды поднимает гидрогеологию на принципиально иной уровень. Собственно говоря, только с этого времени гидрогеология стала по настоящему геоло­гической наукой, ибо ранее она являлась частью гидрологии и изучала подземную ветвь климатического (гидрологического) кру­говорота. С этого же времени она становится наукой о подземной гидросфере.

Другие типы воды, встречающиеся в районах активного вулка­низма, горячие с выделением газов (гейзеры) издавна также инте­ресовали исследователей. Однако только в начале XX в. (1902г.) была предложена австрийским геологом Э. Зюссом (1831-1914 гг.) более или менее обоснованная гипотеза ювенилъных вод. Так он назвал воды, генерируемые в глубинах Земли из водорода и кис­лорода. Ювенильные, т.е. первозданные воды, в отличие от вадозных (мелких или поступающих с поверхности земли, экзогенных) выделяются из магмы при ее остывании, т.е. по своей природе являются эндогенными, и через нарушения или вулканы включают­ся в круговорот.

Концепция ювенильных вод также подверглась резкой критике. В частности, швейцарский геолог Л. Брун (1911г.) обосновал поло­жение о безводности вулканов, точнее он приписывал воде вулкани­ческого происхождения вторичный генезис, обусловленный ее зах­ватом из вмещающих горных пород. Г. Гёфер (1925г.) полагал, что ювенильна не вода, а только ее теплота. Многочисленные попыт­ки исследователей отыскать ювенильную воду в природе пока не увенчались успехом. По последним данным В. И. Ферронского и В. А. Полякова, основанным на изотопных данных водорода и кис­лорода, доля ювенильной воды в вулканах не превышает 5%.

В отличие от ювенильной гипотезы все большее значение при­обретает учение о возрожденных водах, развитое русским ученым А.М. Овчинниковым (1904-1969). Возрожденные воды образуются при метаморфизме осадочных или магматических горных пород из связанных вод, которые в условиях перекристаллизации породы переходят в свободные и включаются в геологический круговорот. Источником возрожденных вод являются воды конституционные, кристаллизационные, цеолитные, гигроскопические, пленочные, ка­пиллярные и частично свободные тонких пор и капилляров.

В 30-е годы наиболее выдающиеся работы, без всякого сомне­ния, созданы одним из наиболее гениальных людей XX в. - русским ученым В.И. Вернадским (1863-1945 гг.). Его труд "Ис­тория природных вод", опубликованный в 1933-1936 гг. по широте и глубине охвата гидрогеологических проблем намного превосходит все когда-либо издававшиеся работы и занимает выда­ющееся место в науке в целом. В этой работе В.И. Вернадский наиболее полно показал значение подземных вод в геологической истории Земли. На основании большого количества эмпирических фактов он обосновал положение о единстве природных вод, что является крупнейшим вкладом в мировую науку. Он же первый обосновал принцип постоянства химического состава вод в определенную геологическую эпоху и создал целое новое направление в изучении природного равновесия: вода-горная порода-газы-живое вещество. В. И. Вернадский первый показал связь химического состава вод с развитием жизни на Земле и поэтому по праву считается основоположником особой отрасли знаний - гидрогеохимии, кото­рая изучает природные воды как подвижные системы, находящиеся в равновесии с другими составляющими земной коры.

Идеи В. И. Вернадского, хотя и получили широкое признание во всем мире, но они до сих пор осознаны не полностью и не все из них вошли в обиход повседневной научной работы. Его книга "История природных вод" — современная энциклопедия по гео­логии воды признается важнейшим трудом, завершающим станов­ление современной гидрогеологии. В СССР идеи В. И. Вер­надского наиболее полно развивали крупные ученые Н.Н. Славянов, Б.Л. Личков, А.М. Овчинников, Н.И. Толстихин, Е.В. Пиннекер, А. И. Перелъман, И. К. Зайцев, Е.А. Басков, П.А. Удодов и многие другие.