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.

1.3.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. (1902 г.) 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 (1911 г.) обосновал поло­жение о безводности вулканов, точнее он приписывал воде вулкани­ческого происхождения вторичный генезис, обусловленный ее зах­ватом из вмещающих горных пород. Г. Гёфер (1925 г.) 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.

2. Распределение воды на Земле и её круговорот

1. Вода в атмосфере, атмосферные осадки, испарение с водной поверхности и суши, подземный и поверхностный сток и их характеристики, современные представления о круговороте воды

2.1.1. Вода в атмосфере

Тропосфера является нижним слоем атмосферы. Она прилегает непосредственно к земной поверхности. Положение ее верхней границы изменяется под влиянием центробежного ускорения Земли от полюсов к экватору. Над полюсами и в средних широтах высота тропосферы составляет 8—12 км, а в экваториальной зоне достигает 17—18 км. Температура воздуха в тропосфере в различных географических зонах неодинакова, имеет сезонные и суточные колебания. Однако от поверхности земли вверх температура, как правило, понижается на 0,6⁰ С на каждые 100 м.

Для тропосферы характерно непрерывное горизонтальное и вер­тикальное перемещение воздушных масс.

В тропосфере заключен почти весь водяной пар, следовательно, только здесь возможны процессы конденсации водяного пара с обра­зованием облаков и осадков. На процессы, протекающие в тропосфере, сильно влияет земная поверхность.

В вышележащем слое — стратосфере— также имеют место восходящие и нисходящие воздушные токи, но они ограничиваются только нижней частью стратосферы. Перемешивание частей воздуха происходит здесь значительно слабее по сравнению с тропосферой. В этом слое атмосферы воздух сильно разрежен. Водяного пара в стратосфере очень мало, поэтому дождевые облака и осадки в ней не формируются.

Еще выше расположена ионосфера, выделяемая по особым электрическим свойствам. Нижняя граница ее пролегает примерно на высоте 80 км, а верхняя удалена от поверхности земли на рас­стояние 1000—2000 км. Ионосфера характеризуется распростране­нием весьма рассеянных ионизированных частиц и нейтральных молекул, движущихся с огромными скоростями. Ионосфера посте­пенно переходит в космическое пространство.

2.1.2. Атмосферные осадки.

При подъеме и охлаждении воздуха водя­ной пар конденсируется, образуя капельки воды или кристаллики льда, из которых состоят облака (слоистые, кучевые и грозовые). Эти мельчайшие частицы (капельки) воды перемещаются в воздухе в виде облаков и тумана. При определенных условиях они вы­падают в виде атмосферных осадков.

Атмосферные осадки бывают двух типов: образующиеся при конденсации водяного пара (вследствие понижения температуры воздуха) непосредственно на поверхности земли и наземных пред­метов (роса, иней, изморозь, гололед);

выпадающие на поверх­ность земли из облаков в виде дождя, мороси, снега, крупы, града.

Количество атмосферных осадков измеряется высотой слоя воды в миллиметрах. Их интенсивность определяется высотой слоя осад­ков, выпавших за 1 мин.

Осадки, выпадающие из облаков, подразделяются на три типа:

обложные, моросящие и ливневые.

Осадки в твердом состоянии— снег, крупа — выпа­дают в холодное время года. Твердые осадки могут питать подземные воды только после их перехода в жидкую фазу, т, е. главным образом весной, когда происходит таяние накопившегося за зиму снежного покрова. К твердым осадкам относится также град, который в отличие от снега и крупы обычно достигает поверхности земли в тёплое время года.

2.1.3. Испарение с водной поверхности и суши

Поверхностные воды находятся в жидком и твердом состояниях. С поверхности океанов и морей, рек, озер, влажной почвы, листьев растений и с поверхности снега и льда непрерывно происходит испарение воды и поступление водяного пара в атмосферу. Испарение с поверхности подземных вод происходит лишь на участках неглубо­кого их залегания от поверхности земли.

Различают два понятия “испарение” и “испаряемость”.

Испарением называется средняя величина фактического испарения влаги с земной поверхности в данном районе.

Под испа­ряемостью понимается величина испарения с водной поверхности при данных условиях.

В таблице показаны для различных ландшафтных зон годовые значения испаряемости и испарения по Д. М. Капу

Таблица

В среднем за год с поверхности земного шара испаряется 525,0 тыс. км³ воды. На это испарение рас­ходуется около 25% солнечной энергии, поступающей в течение года на Землю.

Скорость испарения определяется количеством воды, испаряющейся с единицы поверхности в единицу времени. Количество испа­рившейся воды принято выражать, так же как и атмосферных осад­ков, в миллиметрах водяного столба. Величина испарения или опре­деляется при помощи специальных приборов, или приближенно вычисляется по эмпирическим формулам. При испарении с водной поверхности эта величина зависит от температуры испаряющей поверхности, дефицита влажности воздуха, скорости ветра и атмо- сферного давления.

Наиболее сложен процесс испарения влаги растениями, который происходит путем транспирации. Транс­пирация.— процесс физиологический, связанный с ростом тка­ней. Он заключается в том, что растения, всасывающие в вегета­ционный период влагу из почвы, задерживают только её небольшую часть, остальная влага испаряется .4. Понятие о поверхностном и подземном стоках