Основы гидрогеологии кратко

Что такое подземные воды?

Подземными являются все воды в земной коре, которые располагаются ниже земной поверхности, причем не только в жидком, но и в твердом и газообразном состоянии. Все это считается частью водной оболочки Земли. Суммарные запасы пресных подземных вод – до трети всего Мирового океана. Так, в России обнаружено более 3300 месторождений, причем разработано и активно эксплуатируется только 50% из них.  Они используются как источники питьевой воды, для мелиорации, но также могут вызывать оползни, осадку грунта, затопление шахт. Поэтому эти месторождения не только разрабатываются, но и осушаются – в том случае, если представляют угрозу.

Гидростатический уровнемер с функцией измерения температуры — 36XW

Еще 4-5 тысяч лет тому назад в Древнем Египте и Китае знали о подземных водах, о чем свидетельствуют глубокие колодцы, найденные в крупных городах.  В странах Азии появляется лечение минеральными водами. Три тысячи лет тому назад великие ученые Древней Греции и Рима, такие как Фалес и Аристотель, описывали свойства подземных вод и их роль в общем круговороте воды. В это же время арабский мудрец Аль-Бируни выдвигает предположения о том, что родники могут бить ключом только в случае, если как-то связаны с подземными хранилищами воды. Персидский исследователь Каради предлагает бурить землю, чтобы добывать воду. На основании всех этих фактов можно предположить, что гидрогеология возникла еще в древности. Причем исследования современных ученых во многом подтверждают догадки древних мудрецов.

В средние века изучением подземных вод широко занимались на территории бывшей Римской империи. Ученые активно участвовали в работах по пресному водоснабжению территорий, прилегающих к Средиземному морю. Так появилось учение о самоизливающихся, напорных и ненапорных водах. Также появилось понятие артезианских вод. В России все гидрогеологические изыскания относились к геологии, были ее составной частью. Первые научные представления о расположении подземных вод были высказаны Ломоносовым в 18 веке.

Гидрогеология — это наука о происхождении, движении, физико-­химических свойствах, закономерностях формирования и распро­странения подземных вод в земной коре, которые находятся в тесной связи с литосферой, атмосферой, метеорологией, гидрологией, с гео­логической историей Земли. Эта наука наиболее тесно связана с ди­намической геологией, геохимией, гидрохимией, геологией нефти и газа, минералогией, геотермией, гидрологией, инженерной гидро­геологией и др. и входит в цикл геологических наук о литосфере. Гидрогеология нефти и газа рассматривает подземные воды место­рождений нефти и газа в тесной и непрерывной связи с горными породами, историей геологического развития Земли. Практическое значение нефтегазовой гидрогеологии чрезвычайно велико.

Как известно, пустотное пространство осадочных горных пород, занято нефтью, газом или водой. Причем на долю последней прихо­дится большая часть объема. По образному выражению основополож­ника нефтегазовой геологии И.О. Брода, — «нефть и газ являются лишь каплями в океане воды». Весь онтогенез — от накопления биогенного вещества до формирования скоплений нефти и газа — протекает в водной среде. Подземные воды находятся в непрерывном движении и изменении. Изучение обстановки, в которой происходят формиро­вание и накопление нефти, газа и ресурсов подземных вод, позволяет управлять ими — использовать их, регулировать, а иногда и удалять.

Воды являются полезным ископаемым и используются: пресные воды — для водоснабжения населенных пунктов, минеральные и тер­мальные воды — в лечебных целях, гидротермальные воды — для выработки тепловой энергии и теплоснабжения, для добычи ряда ценных для промышленности элементов — йода, брома, бора, лития, рубидия, стронция и др.

Подземные воды играют важную роль при решении практических и теоретических задач. По решаемым задачам выделяются следующие разделы гидрогеологии:

• общая (теоретическая), изучающая общие вопросы условий зале­гания, движения и формирования вод в литосфере;
• поисковая, связанная с поиском различных полезных иско­паемых (металлы, соли);
• энергетическая, изучающая возможность использования теплоты земных недр при добыче термальных вод;
• инженерная, изучающая гидрогеологические условия при строи­тельстве, горном деле и сельском хозяйстве;
• мелиоративная и шахтная;
• нефтегазовая, изучающая гидрогеологические условия формиро­вания, существования и разрушения залежей, закономерности изменения их состава и типов по разрезу и площади нефтегазовых месторождений;
• экологическая, занимающаяся вопросами охраны и рацио­нального использования подземных вод.

Изучение подземных вод необходимо для регулирования, исполь­зования или удаления подземных вод, оценки запасов, извлечения полезных компонентов, при сооружении оросительных систем. Важное значение приобретает изучение подземных вод при разра­ботке нефтегазовых месторождений нефти и газа, в частности для выбора рациональной системы разработки, определения режима залежи, максимального извлечения первоначальных запасов, выяв­ления типа выносимых вод, определения интервалов притока и их изоляции, прогноза внедрения вод в залежь, выявления направления движения подземных вод и контроля флюидных контактов, оценки перспектив нефтегазоносности территорий.

Гидрогеология — это наука, изучающая подземные воды земной коры и верхней мантии, их происхождение и формирование, со­став, режим, геологическую и геохимическую деятельность. Гидро­геология изучает процессы взаимоотношений и взаимодействия подземных, поверхностных вод и горных пород. Ее основная прак­тическая задача — изучение гидрогеологических условий для про­гноза их изменения и управления ими при инженерной деятель­ности человека, т.е. при водоснабжении, орошении, осушении, строительстве различных инженерных сооружений, разведке и экс­плуатации месторождений пресных, минеральных, промышленных и термальных подземных вод, твердых полезных ископаемых, нефти, газа и решении других народнохозяйственных задач.

Роль подземных вод в жизни человека, животных и растений ис­ключительно велика, поэтому значение гидрогеологии для народ­ного хозяйства весьма важно. Современная гидрогеология — это комплексная наука естественноисторического цикла, включающая ряд направлений:

• общую гидрогеологию, которая рассматривает общие во­просы распределения подземных вод, изучает их историю, состав, режим и другие особенности;
• динамику подземных вод, исследующих движение вод в гор­ных породах, как в естественных условиях, так и при эксплуатации (притоки воды к скважинам и различным горным выработкам);
• геохимию подземных вод, которая рассматривает веще­ственный состав подземных вод и процессы миграции химических элементов;
• региональную гидрогеологию, изучающую размещение и скопления подземных вод по отдельным регионам;
• прикладную гидрогеологию, обслуживающую отдельные от­расли народного хозяйства (сельскохозяйственную, в том числе ме­лиоративную гидрогеологию, нефтяную, шахтную, рудничную).

Гидрогеология решает важные специальные вопросы, связанные с поисками и разведкой подземных вод для различных целей, главным образом для питьевого водоснабжения. При этом опре­деляют запасы пресных подземных вод в отдельных регионах.

Гидрогеология — это наука о происхождении, формировании, распространении и движении подземных вод, находящихся в непре­рывном взаимодействии с горными породами и водами атмосферы и гидросферы. Ее основной практической задачей является изучение гидрогеологических условий для прогноза их изменения и управ­ления ими при инженерной деятельности человека, т.е. при водо­снабжении, орошении, осушении, строительстве различных инже­нерных сооружений, разведке и эксплуатации месторождений пре­сных, минеральных, промышленных и термальных подземных вод.

Объектом изучения во всех случаях являются подземные воды, которые рассматриваются либо как своеобразный «природный ми­нерал» — драгоценное полезное ископаемое, либо как фактор, ос­ложняющий решение практических задач (например, обводнение месторождений твердых полезных ископаемых, нефти, газа, затопле­ние котлованов, заболачивание территорий, засоление почв и т.д.).

В настоящее время проблема использования природных вод (особенно пресных) становится особенно острой, поскольку в ряде районов мира испытывается большой недостаток в пресных по­верхностных и подземных водах.

Промышленность и население нашей страны распределены не­равномерно, поэтому в отдельных районах ощущается острый не­достаток пресных вод. Недостаток в воде испытывают и некоторые страны. Например, в отдельных районах Перу за год выпадает только 48 мм осадков, а в Лиме нет пресных поверхностных и под­земных вод, Кувейт — государство на северо-востоке Аравийского полуострова, которое импортирует более млн м пресной воды в год из Новой Зеландии и других стран.

Изучение распределения подземных вод имеет исключительное значение и придает гидрогеологии большую практическую значи­мость, выдвигая эту научную дисциплину в число основных наук, исследующих Землю.

Накопление знаний о подземных водах началось в глубокой древности в связи с использованием их для питьевых целей в Египте и Греции.

В России основоположниками гидрогеологии следует считать М.В. Ломоносова, а также его учеников И.И. Лепехина, И.Ф. Зуева, С.П. Крашенинникова и др. Комплексные академические экспеди­ции 1768—1794 гг. изучали подземные воды на обширной террито­рии европейской части России и Сибири. В развитии отечественной науки, в частности горного дела, геологии и гидрогеологии, боль­шую роль сыграл «Горный журнал», основанный в 1825 г.

Новый этап этой науки начался в 1882 г. с основания Геологи­ческого комитета, а в 1890-е гг. уже был разработан проект рекон­струкции системы водоснабжения Москвы. В Геологическом коми­тете сотрудничали видные ученые Г.П. Гельмерсен, С.Н. Никитин, В.В. Докучаев и И.В. Мушкетов, деятельность которых способство­вала развитию гидрогеологии.

В начале XX в. в высших учебных заведениях России началось чтение лекций по гидрогеологии, а в 1914 г. в рамках инженерного отделениия Московского сельскохозяйственного института была создана первая кафедра гидрогеологии, которую возглавил А.Н. Се- михатов.

Принципиально новый этап в развитии гидрогеологии начался после Октябрьской социалистической революции, когда все гидро­геологические работы в нашей стране стали проводиться плано­мерно в соответствии с требованиями развития народного хо­зяйства. Значительного успеха отечественная гидрогеология доби­лась в годы предвоенных пятилеток, а особенно в послевоенные годы. Большой вклад в развитие гидрогеологии внесли работы Ф.П. Саваренского, Г.Н. Каменского, А.Н. Семихатова, Н.К. Игна­товича, O.K. Ланге, И.В. Попова, А.М. Овчинникова, Н.И. Толсти- хина, П.П. Климентова, И.К. Гавич, В.М. Швеца и др. Ценный вклад в развитие гидрогеологии внесли иностранные ученые А. Дарси, И. Дюпюи, А. Шоллер, Г. Тим, Е. Принц, К. Кейльгак, Ч. Слихтер, М. Маскет.

Гидрогеология при СССР

В 1922 году Россия становится Союзом Советских Социалистических Республик. В этот период формируются первые гидрогеологические центры. Они активно внедряли знания досоветского периода, полученные еще Ломоносовым, Крашенниковым, Севергиным (исследовал минеральные воды). Самыми выдающимися учеными эпохи стали Лебедев, Обручев, Василевский, Бутов, Вернадский, Погребов, Ланге, Семихатов, Саваренский. Специалисты организовывали гидрогеологические исследования, изучали процессы движения грунтовых вод в пластах, занимались составлением каталогов буровых скважин, разрабатывали методики гидрогеологической разведки.

В начале 40-х годов 20 века в СССР формируется учение о балансе подземных вод, выделяются закономерности их формирования. Выделяются такие направления как нефтяная и криогидрогеология. В 1950-х продолжаются исследования, создаются новые методы картрирования и обоснования использования подземных вод. Вплоть до 1970-х ведутся активные работы по борьбе с водопритоками в горной выработке, проводятся опытно-фильтрационные исследования, составляются сводные гидрогеологические карты. В 80-х уже ш

Широко используются методы математического моделирования. В этот период активно создаются советские отраслевые институты, лаборатории, соответствующие кафедры в ВУЗах.

Гидрогеология сегодня

Основное направление гидрогеологии – это рациональное использование подземных вод. Наука изучает текущее состояние бассейнов подземных вод, химические свойства воды, влияние строительства инженерных сооружений и ведения человеком хозяйственной деятельности. Также проводят исследования для изучения взаимодействия подземных вод с горными породами и проходящих в толще водоносных пластов процессов.

Гидрогеология по-прежнему неразрывно связана с геологией. Продолжается поиск новых гидрогеологических бассейнов, источников минеральных вод, изучаются свойства уже обнаруженных. Выделяются более полезные месторождения, с грунтовыми водами с уникальным химическим составом (например, с бромом или йодом). Научная деятельность заключается и в упорядочении уже известных знаний, поиске новых закономерностей развития.

Группы грунта по водопроницаемости

Водопроницаемость грунта – это его водопропускная способность. В зависимости от этой характеристики различают:

• Водопроницаемые грунты, через которые вода проходит легко (одновременно она фильтруется), — это песок либо гравий;
• Водонепроницаемые, с минимальной способностью впитывать воду, — это глины, мрамор, гранит;
• Полупроницаемые или те, которые впитывают воду ограниченно – например, рыхлые песчаники и глинистые пески.

Распределение воды в земной коре

Воды в земной коре расположены в двух плоскостях: первая или нижняя образована плотными магматическими и метаморфическими породами, и количество воды здесь ограничено. Во второй плоскости преобладают осадочные породы, и здесь содержится большой объем воды. Эту плоскость разделяют на несколько уровней:

• Верхний – пресные: питьевые, технические и хозяйственные;
• Средний – минеральные с солями, микроэлементами и биологически активными веществами;
• Нижний – высокоминерализированные рассолы, в которых растворено много хлоридов и сульфатов (соответственно, из них добывают бром, йод, поваренную соль).

Образуются подземные воды различными способами.

Это просачивание атмосферных осадков до водоупорного слоя (тем самым происходит насыщение пористых пород). Около 20% от общего количества осадков проникает в почву и достигает мест залегания грунтовых вод. Таким образом возникают горизонты подземных вод или водоносные слои. Это – основной способ образования, который тесно связан с круговоротом воды в природе.

Количество просачивающейся в грунт воды зависит от физических свойств (плотности) грунтов, рельефа местности, количества растительности (чем больше растений, тем лучше проходит процесс). Количество просочившейся воды будет больше при длительном моросящем дожде, а не при сильном ливне.

Конденсация водных паров

Происходит конденсация водяных паров атмосферы в породах, тем самым месторождения подземных вод усиливаются.

Это воды, которые выделяются при дифференциации магматического очага. Они считаются первичными. В природе не существует таких подземных вод в «чистом» виде, так как все они смешиваются друг с другом.

Гидрогеологические бассейны

Это бассейны подземных вод, определенные системы с общими условиями залегания и геолого-структурными границами. Они бывают:

• Артезианские – скопление вод с подземными напорными пластами;
• Грунтовых вод – системы потоков с определенными гидродинамическими границами;
• Трещинных вод: гидрогеологические массивы распространения карстовых, трещинных и трещинно-жильных вод;
• Подземного стока – система водных потоков с общим потоком.

Направления гидрогеологии

Они представляют собой объединение геологических тел, где воды связаны между собой и имеют общие законы движения. Все компоненты системы могут взаимодействовать между собой посредством общих границ (прямое взаимодействие), через другие элементы (непрямое). Также возможно, что в исследуемую систему поступают элементы через другую систему – подобное взаимодействие называется косвенным.

Кроме того, системы делятся на те, что были созданы исключительно природой, то есть природные, и природно-техногенные, включающие в себя еще и инженерные сооружения.

Гидрогеология как наука включает в себя значительный пласт знаний о подземных водах. Она изучает динамику подземных вод, их химический состав, сведения о производительности водоносных горизонтов и их качестве, что позволяет планировать работы по питьевому или с/х водоснабжению.

Для удобства была создана классификация, которая включает в себя такие направления:

• Регионально – изучение по различным геоструктурам, поиск новых подземных бассейнов;
• Генетическое – направление, касающееся термальных и соленых вод, залегающих в горизонтах разной глубины;
• Гидродинамическое – изучение направлений движения воды, поиск закономерностей этого движения, выполнение соответствующих расчетов, создание математических моделей;
• Гидрогеохимическое – объектами изучения этого направления являются состав воды и условия ее образования;
• Палеогидрогеологическое – исторические основы становления и развития науки;
• Экологическое — охраной подземных вод.

Классификация подземных вод

Существует такая классификация:

• По типам: верховодка, спорадические, грунтовые, напорные (артезианские) и подземные воды вечной мерзлоты;
• По условиям залегания: поровые, пластовые, трещинные.
• По степени минерализации: ультрапресные, пресные, минеральные, солоноватые, соленые и рассолы;
• По температуре: переохлажденные, холодные и термальные;
• В зависимости от качества: технические, минеральные и питьевые.

Верховодкой называют подземные воды, что залегают вблизи земной поверхности. Они распространены неравномерно и отличаются сезонным характером существования. Обычно она возникает в «сезон дождей», а в засушливый период исчезает. Такой водоупорный пласт может выходить на поверхность, вследствие чего развивается заболачивание.

Эти воды обычно пресные, со слабой степенью минерализации, но часто загрязняются кремниевыми кислотами, железом и органическим веществами. Стабильным источником водоснабжения верховодка служить не может, поэтому принимаются меры для ее искусственного сохранения в период засухи.

Высокоточный автономный регистратор уровня — DCX-22

то воды с региональным распространением, залегают первыми от поверхности, в большинстве своем безнапорные, отличаются определенной стабильностью. Но их уровень подвержен колебаниям по сезону. Кроме того, он зависит от количества выпавших осадков, рельефа, наличия растительности.

Они находятся в водоносном слое, расположенном между водоупорными слоями. На них воздействует гидростатическое давление. Для артезианских вод характерно постоянство дебита. Области питания артезианских бассейнов удалены от мест извлечения такой воды, а размеры ее бассейнов могут достигать 1000 км.

В начале 40-х годов 20 века в СССР формируется учение о балансе подземных вод, выделяются закономерности их формирования. Выделяются такие направления как нефтяная и криогидрогеология. В 1950-х продолжаются исследования, создаются новые методы картрирования и обоснования использования подземных вод. Вплоть до 1970-х ведутся активные работы по борьбе с водопритоками в горной выработке, проводятся опытно-фильтрационные исследования, составляются сводные гидрогеологические карты. В 80-х уже широко используются методы математического моделирования. В этот период активно создаются советские отраслевые институты, лаборатории, соответствующие кафедры в ВУЗах.