История.Ученые которые внесли вклад в изучении и развитие гидрогеологии.

Значение подземных вод в геологических процессах и горном деле впервые было отмечено гениальным русским ученым М.В.Ломоносоывм.

В своих работах он один из первых в истории науки показал необходимость изучения «подземельных»(его термин) вод.

Большую роль в изучении подземных вод в России сыграли экспедиции Академии наук,которые,начиная со второй половины XVIII в.,проводили систематическое комплексное изучение природных богатств Российского государства.В работах эскпедиции принимали участие крупные русские ученые-Г.Е.Щуровский,Г.Д.Романовский,С.Н.Никитин,Н.А.Соколов,и др. работы которых сыграли значительную роль в развитии гидрогеологии.

По данным В.И. Вернандского, подземные воды могут существовать до глубины 60 км в связи с тем, что молекулы воды даже при t 2000C Сдиссоциированы всего на 2%. Приблизительные подсчёты запасов пресной воды в недрах Земли до глубины 16 километров дают величину 400 миллионов кубических километров, это около 1/3 вод Мирового океана.

Накопление знаний о подземных водах, начавшееся с древнейших времен, ускорилось с появлением городов и поливного земледелия

Искусство сооружения копаных колодцев до несколько десятков метров было известно за 2000-3000 тысячи лет до н.э. в Египте, Средней Азии, Индии, Китае. В этот же период появилось и лечение минеральными водами.

Изучению подземных вод способствовало расширение работ, связанных с водоснабжением, строительством каптажных сооружений (например, кяризов у народов Кавказа, Ср. Азии), добычей соленых вод для выпаривания соли путем копания колодцев, а затем и бурения (территория России, 12-17 века).

Изучение подземных вод в связи с историей тектонических движений, процессов осадконакопления и дианогенеза позволило подойти к истории их формирования и способствовало появлению в 20 веке новой отрасли гидрогеологии - палеогидрогеологии (учение о подземных водах прошлых геологических эпох).

Динамика подземных вод изучает движение подземных вод под влиянием естественных и искусственных факторов, разрабатывает методы количественной оценки производительности эксплуатационных скважин и запасов подземных вод. Учение о режиме и балансе подземных вод рассматривает изменения в подземных водах (их уровне, температуре, химическом составе, условиях питания и движения), которые происходят под воздействием различных природных факторов.

Во второй половине 20 века начали разрабатываться методы прогноза режима подземных вод, что имеет важное практическое значение при эксплуатации подземных вод, гидротехническом строительстве, орошаемом земледелии и решении других вопросов.

Происхождение и классификация подземных вод

Вопрос о происхождении подземных вод имеет большое научное и практическое значение и решить его пытались еще с глубокой древности.

Древнегреческий философ Платон (V-VI вв.до н.э)полагал,что подземные воды образуются за счёт морской воды,которая проникла через «отверстия» в земле в «подземную область»,каким-то образом очищалась там от солей и выходила на поверхность земли в виде родников пресной воды,которые питают реки,стекающие в моря и океаны.Платон впервые высказал правильную идею о круговороте воды на Земле.

Другой древнегреческий философ Аристотель,Величайший ученый мира высказал предположение,что в глубинах земли под влиянием внутреннего «центрального огня» вода испарялась и водяные пары проникали в пустоты пещеры,заполненные холодным воздухом,соприкасаясь с которым охлаждались и превращались в воду.

В настоящее же время,можно считать твёрдо установленным,что основным питанием подземных вод является инфильтрация (просачивание)атмосферных осадков,хотя часть их образуется несомненно путём конденсации.

Классификация

До настоящего времени нет общепринятой классификации подземных вод.

Это обьясняется тем что подземные воды циркулируют в земной коре в самых различных геологических условиях:постоянно передвигаясь ,они взаимодействия с горным породами(растворяют их,выщелащивают,отлагают соли,цементрируют и др.)в процессе этого взаимодействия изменяют хим.состав и св-ва.

По условиям образования подземные воды поды подразделяются на ,наиболее важных значений:инфильтрационные,затем седиментационные и частично конденсационные.

По условиям залегания они подразделяются на след.группы: грунтовые-образующие самую верхнюю гидрогеологическую зону в поверхностных слоях земли; пластовые-приуроченные к водонепроницаемому пласту ,перекрываемому и подстилаемому водоупорными породами ;трещинные-приуроченные к трещинам в скальных горных породах ,независимо от генезиса трещин; карстовые- находящиеся в пустотах и пещерах закарстованных пород(известняк ,гипса и т.п);трещинно-жильные-циркулирующие в отдельных тектонических трещинах и зонах тектонических разломов.

По гидравлическим свойствам подземные воды делятся на: без напорные-или воды со свободной поверхностью; напорные- когда водоносный горизонт перекрыт сверху водоупорной породой и находящаяся в нем подземная вода испытывает гидростатическое давление, обусловливающее напор.

В зависимости от возраста водовмещающих пород подземным водам присваивается соответствующее наименование: воды каменноугольных отложений, юрских, меловых, третичных и т. п.

По степени минерализации, или по содержанию растворенных солей,по предложению В.И.Вернадского ,подземные воды ,подразделяются на следующие виды:

1)пресные, содержащие до 1 г/ л растворенных веществ.

2)солоноватые, содержащие 1 --10 г/л солей.

3)соленые содержащие 10--50 г/л;

4)рассолы (свыше 50 г/л).

По t,подземные воды подразделяются на четыре категории:

-холодные -с температурой ниже 20° С

-теплые- с t от 20 до 37° С

-горячие- от 37 до 42° С

- горячие (т е р м ы)- с температурой свыше 42° С

В практике при характеристике и оценке подземных вод существенное значение имеет не только общее содержание растворенных солей,но и состав этих солей.В зависимости от преобладания растворенных солей,различают воды по анионам-гидрокарбонатные,сульфатные и хлоридные,по катионам-кальцевые,магниевые,и натриевые.

Помимо солей в подземных водах всегда содержатся различные газы -углекислота, азот, сероводород и др., часто имеющие большое практическое значение.В зависимости от этого различают:углекислые,сероводородные ,радоновые и др.В большинстве случаев подобные воды имеют лечебное значение (углекислые воды Кисловодска, сероводородные воды Мацесты, радоновые воды Цхалтубо и т.п).

Минеральными водами,называют подземные воды ,обладающие теми или иными лечебными свойствами.

Факторы  формирования  состава  подземных  вод. Все факторы формирования состава подземных вод можно разделить на: физико–географические, геологические, физико–химические, физические, биологические и искусственные. Физико–географические  факторы  включают рельеф, гидрологию, климат и выветривание. Рельеф влияет на водный цикл(водный обмен), который определяет  состав минерализации  грунтовых вод. При прочих равных условиях, чем сильнее расчленён рельеф, тем лучше возможности появления пресных подземных вод. На приподнятых участках бассейнов, где породы хорошо промываются, подземные воды имеют относительно низкую минерализацию и в основном гидрокарбонатный состав: в пониженных частях, куда направлен сток солей с возвышенностей, минерализация повышается, в водах увеличивается концентрация сульфатов и хлоридов. Гидрологический фактор (гидрология) воздействует на подземные воды прежде всего через гидрографическую сеть, которая влияет на водообмен. Густая гидрографическая сеть с глубоким эрозионным врезом способствует водообмену в водоносных горизонтах, выносу солей и формированию пресных подземных вод. При редкой гидрографической сети и неглубоком её врезе подземный сток затруднён, что вызывает повышение минерализации подземных вод. Это  косвенное влияние гидрографической сети на состав подземных вод. В тех  случаях, когда питание водоносных горизонтов осуществляется за счёт вод рек и озёр, влияние гидрологического фактора прямое и определяющее. В средней полосе это особенно ярко проявляется во время паводков, а в пустынях реки (например, Амударья) могут питать подземные воды в течение  года. Океаны и моря выступают в качестве ведущего фактора при трансгрессиях. При этом, в накапливающихся осадочных отложениях захороняются минерализованные воды, т.е. моря в “готовом” виде передают подземным водам соли. К ведущим физико–географическим факторам формирования состава подземных вод относится выветривание— явление, протекающее на/и вблизи поверхности и напрямую связанное с климатом (по англ. weathering от weather — погода). Совокупность процессов физического, химического и биохимического разрушения минералов и горных пород, называемая выветриванием, приводит к обогащению подземных вод различными соединениями. Выветривание выступает, главным образом, как процесс перевода вещества в раствор. В результате выветривания из пород выносятся и попадают в подземную воду в первую очередь наиболее растворимые соединения. В более молодых, менее выветрелых, породах больше сохранилось неустойчивых компонентом (полевые шпаты, темноцветные минералы), которые в настоящее время разрушаются и, затем обогащают воду различными соединениями. В более древних породах основная масса неустойчивых компонентов уже разрушена и удалена в ходе многократного водного бмена. Отсюда,роль выветривания в формировании состава подземных вод обнаруживается даже для совсем молодых и слаборастворимых алюмосиликатных отложений. Геологические  факторы.  К этим факторам относятся геологическая структура, тектонические движения, вещественный состав пород, магматизм и газовый фактор. Важный фактор в формировании подземных вод - это время Время — это скорость химических реакций, это продолжительность взаимодействия в системе вода – порода – газ, это возраст отложений, вмещающих подземные воды, это возраст самих подземных вод, наконец, это геологическая история. Биологические  факторы.  С точки зрения влияния этих факторов на состав подземных вод важна вся совокупность живых организмов, которую В.И. Вернадский назвал живым веществом. То пространство, где проявляется деятельность живого вещества — это своеобразная оболочка Земли — биосфера. Биосфера охватывает наземную гидросферу, верхнюю часть литосферы и нижнюю часть атмосферы. В земной коре нижняя граница биосферы отвечает температуре 75–100 С — критической для развития бактерий. Бактерии распространены до глубины 4 км и переносят давления до 3–4 тыс. атм. Животные и растения воздействуют на состав подземных вод, главным образом, через микроорганизмы. По мере отмирания животные и особенно растения отдают почве минеральные вещества, которые затем поступают в подземные воды. Влияние деятельности растений на состав подземных вод проявляется и в том, что растения аккумулируют огромное количество влаги, избирательно поглощают химические компоненты из подземных вод. Искусственные  факторы. Существо искусственных факторов формирования состава подземных вод заключается в производственной деятельности человека. Из недр Земли ежегодно извлекается масса химических соединений (NaCl, СаSO4, CaCO3, металлы, нефть и т.д.). Помимо нарушения естественного баланса в системе порода – вода это ведёт к проникновению в недра большого количества воздушного кислорода, т.е. к процессам окисления, что вызывает неизбежный переход дополнительных веществ в подземные воды. Глубина окисляющего воздействия порой достигает нескольких километров (например, на нефтегазовых промыслах, где для поддержания давления при добыче углеводородов в глубокие горизонты закачиваются целые реки воды). Общими геологическими запасами оценивается на данный момент весь обьем подземных вод всех категорий и форм,находящийся в зонах насыщения ,кроме прочно связанной воды .Если естественные ресурсы определяют ежегодное восполнение подземных вод, то геологические запасы формируются в течении длительных циклов круговорота природных вод и ,по выражению  Куделина, является «продуктом геологической истории земли». При количественной оценке подземных вод для использования существенно важным является определение как естественных ресурсов ,так и геологических запасов .Проектирование обеспечивает их ежегодное возобновление .Использование геологических запасов в размерах ,больших величины естественных ресурсов ,приводит к прогрессивному истощению запасов подземных вод .Несмотря на ограниченное использование подземных вод в нашей стране ,в отдельных районах уже сейчас могут быть отмечены примеры такого истощения. Так ,в Крыму для оливного земледелия отбирается воды из подземных горизонтов в 2-4 раза больше, че восполняется.

Роль подземных вод в формировании географической оболочки Земли

Географическая оболочка впервые была определена П.И. Броуновым еще в 1910 г. как “наружная оболочка Земли”. Это наиболее сложная часть нашей планеты, где соприкасаются и взаимопроникают атмосфера, гидросфера и литосфера. Только здесь возможно одновременное и устойчивое существование вещества в твердом, жидком и газообразном состояниях.

В этой оболочке происходит поглощение, превращение и накопление лучистой энергии Солнца; только в ее пределах стало возможным возникновение и распространение жизни, которая, в свою очередь, явилась мощным фактором дальнейшего преобразования и усложнения эпигеосферы.

Географической оболочек присущ ряд специфических закономерностей:

- целостность, обусловленная непрерывным обменом вещества и энергии между её составными частями;

- круговорот вещества (и энергии), обеспечивающий многократность одних и тех же процессов и явлений и их высокую суммарную эффективность;

- неравномерность развития в пространстве и времени, в частности, ритмичность процессов и явлений связанная, в основном, с астрономическими и геологическими причинами, и территориальная неоднородность проявляющаяся в виде зональной и азональной структуры;

- непрерывность развития на протяжении всей истории географической оболочки.

Географическая оболочка - сложная саморегулирующаяся система, находящаяся в подвижном относительном равновесии.

На отличается прежде всего большим разнообразием вещественного состава и видов энергии, характерных для всех компонентных оболочек - литосферы, атмосферы, гидросферы и биосферы.

Географическая оболочка не является замкнутой системой, она открыта как в сторону космоса, так и по отношению к глубинным сферам нашей планеты и подвержена разнообразным влияниям как сверху, так и снизу. Эта оболочка не имеет резких границ, а постепенно сливается с глубинными толщами земной коры и с верхними слоями атмосферы.

Большинство исследователей верхнюю границу географической оболочки проводят по озоновому слою стратосферы, а нижнюю -- по границе распространения живых организмов и воды в жидком состоянии, т. е. на глубине 4—б км. Академик К. К. Марков считал, что в настоящее время границы географической оболочки фактически совпадают с границами биосферы.

Наиболее интенсивное взаимодействие между геосферами Земли происходит в месте их контакта. На соприкосновении атмосферы, гидросферы и верхнего слоя земной коры формируется ландшафтная сфера, в которой сосредоточено не менее 98 % живого вещества планеты. Это своего рода «главная кухня» географической оболочки, в которой находятся основные механизмы трансформации вещества и энергии.

В географической оболочке существует очень тесная взаимосвязь между ее основными компонентами - горными породами, почвами, климатом, растительностью и животным миром. Поэтому изменение любого из этих компонентов приводит к перестройке всей взаимодействующей системы и к глубоким изменениям во всей географической оболочке.

Поскольку все они не однородны, а изменяются в широких пределах, то и географическая оболочка не однородна, она состоит из большого количества различных природно-территориальных комплексов, наиболее крупными из которых являются географические пояса и ландшафтные зоны.

Все составные части географической оболочки и происходящие в ней процессы тесно связаны и взаимообусловлены. Более того, отдельные ее компоненты испытывают на себе влияние всех остальных компонентов. Это зачастую полностью изменяет первоначальные свойства всей взаимодействующей системы.

Географическая оболочка опирается на географическое пространство и со стороны нижней границы (т.е. ниже границы Мохо также располагается географическое пространство). Его влияние проявляется в том, что энергия земных недр создала (и создает) неровности земной поверхности, включая материки и океанические впадины, литосферу, входящую своей внешней частью в географическую оболочку.

В то же время из земных недр в географическую оболочку поступают хлоридные рассолы, определяющие химизм океана, и т.д.

Реки и подземные воды, перемещая минеральные вещества, участвуют в изменении рельефа. Частицы горных пород высоко поднимаются в атмосферу при извержении вулканов, сильных ветрах. Много солей содержится в гидросфере.

Вода и минеральные вещества входят в состав всех живых организмов, которые существуют в гидросфере и в атмосфере. Живые организмы, отмирая, образуют огромные толщи горных пород органического происхождения.

Итак, целостность географической оболочки Земли - эпигеосферы - геосистемы наивысшего ранга, четко определяется взаимообусловленностью ее компонентов, непрерывным вещественно-энергетическим обменом между ними, который по своей интенсивности значительно превосходит обмен между эпигеосферой в целом, с одной стороны, и открытым космосом и глубинными толщами планеты с другой.

В то же время, будучи открытой системой, эпигеосфера под воздействием внешних факторов развивалась и развивается по пути усложнения своей инфраструктуры, расчленяясь нарегиональные и локальные геосистемы.

Постоянство воздействия внешних факторов, таких как ориентация Земли относительно Солнца и в системе Земля-Луна, взаимодействия литосферы, гидросферы, атмосферы, обусловила зональный, секторный и азональный характер членения эпигеосферы, выразившийся в образовании иерархически упорядоченного и в пространстве и во времени ансамбля геосистем низких рангов.

Биосферная роль подземных вод

Биосфера - или сфера жизни Земли ее оболочка, не занимает обособленного положения, а располагается в пределах других оболочек, охватывая гидросферу, тропосферу и верхнюю часть земной коры - ее приповерхностный и почвенный слои. Живые организмы встречаются и ниже почвенного слоя - в глубоких трещинах, пещерах, подземных водах и даже в нефтеносных слоях на глубине в сотни и тысячи метров.

Биосфера, ее биохимическая деятельность обеспечивает планетарное равновесие на Земле - равновесное состояние газов, состава природных вод, круговорот вещества.

Биосферные функции экосистем

- формирование ими первичной продукции;

- поддержание баланса О2, С, Н2О и др.;

- воздействие на климат и природы.

Подземные воды участвуют в формировании литосферы (подземные реки, карстовые образования ....). Биосферная роль подземных вод состоит в том, что они участвуют в круговороте веществ и потоке энергии в биосфере.

Проблемы охраны и рационального использования подземных вод.

В настоящее время все большую остроту приобретает проблема пресной воды. На XXXV сессии Генеральной Ассамблеи ООН было объявлено, что более миллиарда людей планеты страдает от недостатка доброкачественной воды, необходимой для питья и хозяйственных нужд.

Только для поддержания жизни человеку ежесуточно необходимо около 2 л воды, а житель современного благоустроенного города в сутки расходует от 100 до 1000 л.

Еще больше расход пресной воды в промышленности: для производства одной тонны стали расходуется 150-200 м3 воды, меди - 500, бумаги 450-1000, искусственного волокна 2000-6000 м3. В связи с глобальным загрязнением поверхностных вод централизованное водоснабжение все в большей степени ориентируется на подземные воды.

Так, в России более 60% городов использует для водоснабжения подземные резервуары. В других странах доля подземного водоснабжения еще большая.

Однако,как бы ни были велики запасы этих вод,восстановление их идет очень медленно.Развитие потребления подземных вод в будущем может поставить под угрозу даже кажущиеся неисчерпаемыми геологические запасы этих « подземных морей».

Поэтому проблема оценки естественных ресурсов подземных вод ложится краеугольным камнем в работы по обеспечению схемы комплексного использования и охраны водных ресурсов суши.

Если при существующих размерах использования подземных вод вопрос об истощении подземного питания рек и региональном аспекте еще не требует практической постановки таких задач,то для локальных участков в отдельных речных бассейнах решение их становится актуальным.(Примером тому может быть территория Курской магнитной аномалии(КМА),вместо подземного питания реки здесь начинают формироватся подземные потери речных вод)

Решением проблемы захоронения промышленных отходов в водоносных пластах также требует учета особенностей формирования в них подземного стока ,взаимодействия пластов с реками.

Однако в условиях растущей техногенной нагрузки на окружающую среду подземные воды также подвергаются загрязнению и истощению. В связи с этим при решении проблем охраны и рационального использования окружающей среды подземные воды, которые являются одной из наиболее используемых, уязвимых и динамичных составляющих геологической среды, занимают особое место.

В последние годы в подземных водах обнаружен целый ряд аминокислот, являющихся структурными элементами белков. Кроме того, в пресных подземных водах нефтегазоносных провинций, как правило , присутствуют нафтеновые кислоты и различные УВ-е соединения.

В силу своего местонахождения подземные воды лучше защищены от внешних воздействий, чем поверхностные, однако имеются серьёзные симптомы неблагоприятного изменения режима подземных вод на больших площадях и в широком диапазоне глубин.

К ним относятся: истощение и понижение уровня подземных вод из-за чрезмерного отбора; внедрение на побережье морских солёных вод; образование депрессионных воронок и др.

Большую опасность представляет загрязнение подземных вод. Можно выделить два типа загрязнений: - бактериальное и химическое. В определённых условиях в водоносные горизонты могут проникать сточные и техногенные промышленные воды, загрязнённые поверхностные воды и атмосферные осадки.

При создании водохранилищ в результате подпора происходит повышение уровня грунтовых вод. Положительным следствием такого изменения режима является увеличение их ресурсов в прибрежной зоне водохранилища; отрицательными - подтопление прибрежной зоны, что вызывает заболачивание территории, а так же засоление почв и грунтовых вод вследствие повышенного их испарения при неглубоком залегании.

Ввиду небольших паводковых явлений (или вообще их отсутствия) на зарегулированных реках паводочное питание подземных вод значительно уменьшено. Скорости течения на таких реках снижаются, что способствует заилению русла; поэтому взаимосвязь речных и подземных вод затруднена.

В определённых условиях отбор подземных вод может оказать существенное влияние на качество поверхностных вод. В первую очередь это относится к промышленной эксплуатации и сбросу минерализованных вод, сбросу шахтных и попутных нефтяных вод. Поэтому должно предусматриваться комплексное использование и регулирование ресурсов поверхностных и подземных вод.

Примерами такого подхода могут служить использование подземных вод для орошения в маловодные годы, а так же искусственное восполнение запасов подземных вод и сооружение подземных водохранилищ.