Гидрогеология как наука, основные научные направления и методы исследований.

Значение подземных вод для народного хозяйства

Подземные воды используют в различных отраслях народного хозяйства:

- водоснабжение (гражданское, промышленное, военное);

- поиски, добыча и эксплуатация месторождений полезных ископаемых;

- мелиоративные работы;

- курортно – санаторное дело (минеральные воды);

- минеральные промышленные воды для получения ряда химических веществ;

- как источник геотермического сырья.

 

Пресные подземные воды – «самое драгоценное полезное ископаемое»

Планета Земля – единственное космическое тело в Солнечной системе, имеющее большое количество воды – источник жизни.

Объем гидросферы, тыс. км3 (по М.И. Львовичу)

- 1 миллиард 454 мил. 193 тыс – 100%

- 1 миллиард 370мил 323 тыс – 94% Мировой океан

- Подземные воды 160 000 тыс. – 4,12%

- Пресные подземные воды 4000 тыс-0,27%

Речные воды 1 мил 2000 тыс – 0,0001%

Ледники 24 мил.000-

Ценность воды как природного минерала определяется ее следующими главными свойствами:

Исключительная подвижность;

Способность к фазовым переходам в различных термодинамических условиях земной коры;

Чрезвычайная химическая активность;

Повсеместное присутствие воды;

Способность воды передавать (гидравлическим путем) давление внутри земной коры «снизу –вверх», «сверху - вниз»;

Вода – активный природный теплоноситель (В.с t = 40-200оС);

Вода - естественная смазка на границах перемещаемых блоков земной коры (разломно – блоковая тектоника).

Подземные воды –существенный источник тепловой энергии. Прогнозные ресурсы п/в с Т=40-2000 С на территории бывшего СССР равно 250 м3/с, в т.ч. Западная Сибирь = 180 м3/с. На камчатке построена Паужетская гидротермальная станция, теплоснабжение Грозного, Махачкалы, Тбилиси и др.

 

Виды воды в гп.

В настоящее время выделяются следующие виды воды:

1. свободная (несвязная) – подразделяется на:

1.1. Парообразная вода (водяной пар)- существует в виде молекул Н₂О (комплексов типа n Н₂О) в воздухе, который занимает свободные поры и трещины в породах. Она находится в динамическом равновесии с другими видами воды и парами воды, содержащимся в атмосфере.

1.2.Гравитационная (капельно-жидкая) – передвигается по порам, трещинам под действием силы тяжести и градиента гидростатического давления. Просачивающейся называется подземная вода, формирующаяся в ненасыщенной зоне и передвигающаяся преимущественно в капельно-жидкой форме под действием силы тяжести. Водой подземного потока называется свободная гравитационная вода, передвигающаяся в условиях полного насыщения свободного пространства в минеральном скелете пород действием силы тяжести и градиента гидростатического давления.

1.3. Вода в надкритическом состоянии – находится в горных породах при температуре 374-450° и давлении 2,2х10⁴ КПа – 3,5 х10⁴ КПа. Залегает на глубине более 50 км. Обладает минимальной вязкостью, низким значениям рН, повышенной электропроводностью и большой способностью к миграции.

2. связанная вода:

2.1. Химически связанная вода – принимает участие в строении кристаллической решетки минералов в виде Н₂О, ОН^-, Н₃О⁺, Н⁺. Подразделяется на:

· Кристаллизационная, входящая в кристаллическую решетку минералов в виде молекул воды Н₂О (гипс Са₂SO₄ , мирабилит Na₂SO₄х10 Н₂О). Содержание воды достигает 50% и более. Вода удаляется при температуре 300-400°, при этом кристаллическая решетка разрушается.

· Цеолитная, аналог кристаллизационной, но количество молекул воды в кристаллической решетке может изменяться (опал). Такая вода связана с минералами очень не прочно и выделяется при сравнительно низких температурах 180-400ºC без разрушения кристаллической решетки, содержание воды может восстанавливаться при изменении термодинамических условий.

· Конституционная вода содержится в минералах в виде гидроксильной группы ОН^-, водорода Н⁺ и Н₃О⁺. Удаляется из кристаллической решетки при температуре 400-1300 °. Кристаллическая решетка разрушается (мусковит, каолинит).

2.2. Физико-химическая и физически связанная:

физически прочносвязанная вода (гигроскопическая, адсорбционная) образуется в результате адсорбции молекул парообразной воды на поверхности частиц горных пород. Она образует на поверхности частиц тонкую пленку, слоем в одну молекулу воды и удерживается электростатическими силами.

физически рыхлосвязанная (пленочная) вода образуется поверх гигроскопичной и состоит из нескольких слоев молекул воды, которая называется диффузивным слоем.

вода переходного состояния от связанной к свободной:

2.3.Вакуольная (иммобилизованная) вода – содержится в изолированных пустотах минерального скелета породы. Она может образоваться при неполной цементации порового пространства, при минералообразовании, при остывании магмы.

2.4. Вода в твердом состоянии (лед) – широко распространена в области развития многолетнемерзлых пород (криолитозоне).

2.5.Капиллярная вода занимает частично или полностью тонкие поры и трещины в горных породах. Удерживается силами поверхностного натяжения или менисковыми силами. Чем меньше диаметр пор, тем выше высота капиллярного поднятия.

 

Минеральные воды.

Минеральные подземные воды – воды, состав, физические и химические свойства (радиоактивность, повышенные концентрации компонентов) которых позволяют использовать их в качестве лечебных, промышленных и термальных.

Основной особенностью хим.состава минеральных вод является присутствие обычных или специфических компонентов (CO₂, H₂S, Br, J, H₄SiO₄, Rn, Fe, As, орг.веществ) в концентрациях больше нормативных.

Классификация минеральных вод по температуре:

1.переохлажденные (исключительно холодные) высокоминеральные рассольные воды < 0°С

2.очень холодные и весьма холодные воды t =0-4°С

3.холодные t = 4-20°С

4.теплые t = 20-37°С

5.термальные (горячие) или гидротермальные t = 37-42°С

6.очень горячие (гипертермальные) t = 42-100°С

7.исключительно горячие перегретые воды, парогидротермальные (гейзеры) t =более 100⁰С.

Лечебные минеральные п/в – воды, обладающие лечебными (бальнеологическими) свойствами благодаря наличию в их составе минеральных, органических или радиоактивных веществ в терапевтически полезных эквивалент-концентрациях. К числу основных компонентов состава лечебных п/в относятся: CO₂, H₂S, Fe, As, Br, J, H₄SiO₄, Rn, орг вещ-ва. Имеет существенное значение щелочно-кислотное состояние, t, общее содержание растворенных компонентов.

В основе воздействия на организм человека лечебных вод лежат осматические и диффузионные явления. Лечебные воды взаимосвязаны с кровью. Кровь человека состоит из плазмы (хлоридный натриевый раствор) и эритроцитов.

Классификация лечебных вод.

По В.В.Иванову и Г.А.Невраеву в зависимости от состава фармакологически активных компонентов и газов 8 основных бальнеологических групп с подгруппами по газовому составу:

1)углекислые,

2)сульфидные (CH₄, N₂ или СО₂),

3)железистые, мышьяковистые (N₂, СО₂),

4)бромные, йодобромные и йодные (N₂,СН₄),

5)с повышенным содержанием орг.веществ (N₂,СН₄),

6)радоновые (N₂, СО₂), 7)кремнистые термальные (CH₄, N₂, СО₂),

8)без специфических компонентов и свойств- лечебные мин.воды, бальнеологическое действие которых определяется составом макрокомпонентов и величиной минерализации.

 

Промышленные воды.

Промышленные воды – воды, содержащие полезные компоненты в концентрациях, при которых их извлечение экономически целесообразно при данном уровне технологии. Сейчас извлекают Li, K, Mg, радий, рубидий, цезий, стронций. Для определения промышленных вод проводят оценку минимальных концентраций компонентов, учитывают наличие технических средств и спроса на данный вид сырья.

Наибольший интерес в качестве промышленных представляют (по Л.С.Балашову):

1.пластовые хлоридные рассолы арт.бассейнов (бром, йод, бор);

2.углекислые воды Альпийской зоны горноскладчатых областей (литий, рубидий, цезий, бор, германий, фтор, кремний, мышьяк);

3.термальные хлоридные воды областей современного вулканизма.

Даже при высоком содержании полезных компонентов добыча может оказаться экономически не целесообразной из-за слишком большой глубины, сложности очистки, удаленности от транспортных путей. В то же время п/в как сырьевая база имеют ряд преимуществ:

1)характеризуются большими запасами и содержанием нескольких полезных компонентов,

2)одновременно могут использоваться и для лечения и для теплоснабжения,

3)по запасам редких металлов превосходят твердое рудное сырье,

4)добыча пром.вод из скважин или в процессе самоизлива значительно дешевле горных работ и одновременно является средством транспортировки их на поверхность.

 

Защита п/в от загрязнения,

Гидрохимические фации.

Хим. анализ проводят в лабораторных условиях. В него входят:

· пересчет анализа из весовой (г/л, мг/л) в эквивалентную (г-экв/л, мг-экв/л) и процентно-эквивалентную (%-экв.) формы;

· определение погрешности анализа;

· определение общей минерализации,

· классификация воды по хим.составу, температуре, минерализации, рН, содержанию СО₂, жесткости,

· написание формулы Курлова, построение графиков Дурова, Толстихина и Роджерса.

Минерализация (М) – это содержание в воде растворенных неорганических соединений и компонентов; выражается в г/л или г/дм³.

По М природные воды подразделяются на 6 групп: сверхпресные до 0,1 г/л, пресные 0,1-1, слабосолоноватые 1-3, сильносолоноватые 3-10, соленые 10-35, рассолы от 35. По Пиннекеру рассолы бывают: слабые 35-150 г/дм³, крепкие 350-500, предельно насыщенные > 500 г/дм³.

Единой общепринятой классификации природных вод в зависимости от хим. состава нет.

Кл-ция Максимовича: выделены г/г/х фация и формация. Г/х фация - часть гидросферы, характеризующаяся определенным хим.составом воды, определяется по преобладающему весу 2-3 и большему числу ионов. Преобладающими являются анионы и катионы, содержание которых составляет более 10% от общей минерализации. Название фации дается в порядке убывания, сначала анионов, затем катионов. Формация - участок гидросферы, воды которой характеризуются одинаковым хим. составом, определяемым по первому преобладающему компоненту.

Кл-ция Алекина: основана на выделении классов по преобладающим анионам (мг-экв/л), групп по преобладающим катионам и типов по соотношению м/у ионами. По преобл. анионам все воды делятся на гидрокарбонатные, сульфатные, хлоридные. Разделение на классы уточняется делением каждого класса на 3 группы: по преобладанию одного из катионов: Ca, Mg, Na, K. Каждая группа делится на 3 типа по соотношению между мг-экв. ионов. Выделяют 4 типа воды:

1) HCO₃>Ca+Mg (маломинерал.);

2) HCO₃<Ca+Mg<HCO₃+SO₄ (воды малой и средней мин-ции);

3) HCO₃+SO₄<Ca+Mg (высокомин.);

4) отсутствие иона HCO₃ (кислые).

Класс-ция Курлакова-Валяшко: типы хим.состава вод выделяются не по фактическому преобладанию ионов, а по их соотношениям. Так, в континентальных условиях преобладает SO₄ –Na тип вод, реже HCO₃ - Na.

Отраслевой стандарт (по хим.составу) – псевдодробь, в числителе анионы, в знаменателе катионы, содержание к-ых >1%. Эти катионы располагаются в порядке убывания. Название состоит из 2-х частей (1-ая-анионы, 2-ая-катионы), при определении названия учитываются компоненты, содержание которых >25%, перечисление от меньшего к большему. Слева М., справа pH и t. , название Cl-HCO₃-Na.

Формула Курлова представляет собой псевдодробь, в числителе которой представлены анионы в убывающем их содержании, а в знаменателе – катионы. Ионы, присутствующие в кол-ве <10%-экв, в формулу не включаются. Слева от дроби указывается в г/л кол-во растворенных газов и сумма минеральных веществ. Справа +°С и дебит источника в л/с.

Формула ионного состава отличается от формулы Курлова тем, что в ней указываются все основные анионы и катионы независимо от их содержания и не указываются t и дебит воды.

63.Пластовое давление и приведенный напор подземных вод.

Свободная вода, попавшая в водоносный пласт в процессе климатического круговорота, располагается между частицами отдельных минералов и находится под влиянием только гидростатического давления, т.е.веса вышележащего столба воды. Гидростатическое давление Р_г (кг/см², атм) определяется по формуле:

Р_г=ρ_вН/10, где

ρ_в-плотность воды, Н-глубина залегания измеряемой точки от уровня первого от поверхности земли водоносного горизонта.

Движение воды происходит в результате передачи гидростатического давления от участков более высокого напора к участкам его более низких значений.

При бурении глубоких нефтяных скважин замеры давлений, наблюдаемых в реальном пласте (пластовые давления), показали, что, начиная с глубин первых километров, пластовые давления в водоносных горизонтах становятся выше расчетных гидростатических в 1,3-1,6 раза (аномально высокие давления). В ряде случаев они достигли значений геостатического или литостатического (Р_л), создаваемого весом вышележащих пород:

Р_л=ρ_пН/10, где

ρ_п-плотность породы, Н- глубина залегания горных пород.

Так как плотность осадочных горных пород в среднем составляет 2,3г/см³, а плотность даже соленой воды не превышает 1,4г/см³, геостатическое давление на одних и тех же глубинах больше гидростатического в 2-2,5раза.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Гидрогеология как наука, основные научные направления и методы исследований.

Термин гидрогеология – ввел Ламарк.

Геология и гидрология – первоисточник гидрогеологии.

Предмет ее исследования – вода Земли. Гидрогеология изучает главным образом жидкую фазу подземных вод, залегающих в различных горных породах (осадочных, магматических, метаморфических). Поэтому гидрогеология рассматривается как отрасль геологии и изучение подземных вод производится на основе общих знаний о процессах развития земной коры.

Гидрогеология –это наука о подземной гидросфере, ее генезисе, истории развития, составе; закономерностях пространственного распределения и формирования (подз. вод); о взаимодействии гидросферы с другими оболочками земной коры, об охране, прогнозировании, управлении и использовании П.В. (Шварцев С.Л., 1996г.)

Методы исследования в гидрогеологии:

1. Гидрогеологическая съемка (изучение гидрогеологических условий и картирование составляющих их элементов). Главная задача гидрогеологической съемки – составление гидрогеологических карт, которые являются основой для поисков подземных вод, выявление закономерностей их распространения и формирования.

Съемка подразделяется на мелкомасштабную (1:1 000 000-1 500 00), среднемасштабную (1:200 000-1:100 000) и крупномасштабную (1:50 000 и крупнее).

2. Гидрогеологические опытные работы и исследования в различных целях.

а) Опытно – фильтрационные работы для определения гидрогеологических параметров (откачки, нагнетания, наливы, определение направления и скорости движения подземных вод);

б) Гидрогеологические исследования в глубоких скважинах, предназначенных для поиска, разведки и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений;

в) Гидрогеологические исследования при сборе промышленных стоков в поглощающие горизонты (выбор и оценка благоприятных для этой цели структур, методика поисково – разведочных работ для обоснования подземного сброса промстоков, рекомендации и наблюдения за эксплуатацией установок по сбросу промстоков);

г) Гидрогеологические исследования при разведке и разработке месторождений полезных ископаемых геотехнологическими методами;

3. Лабораторные методы и эмпирические формулы, применяемые для определения коэффициента фильтрации горных пород.

4. Изучение и прогноз режима подземных вод (эти работы позволяют количественно охарактеризовать процесс формирования подземных вод и дать прогноз изменения гидрогеологических условий в естественных условиях или при нарушении естественной обстановки хозяйственной деятельности человека).

5. Гидрогеохимические методы поисков месторождений полезных ископаемых.

6. Геофизические методы исследований в гидрогеологии.

7. Гидрогеологические исследования при поисках, разведке и эксплуатации месторождений подземных вод для водоснабжения.

В своих теоретических построениях гидрогеология опирается на данные метеорологии и климатологии, гидрологии, почвоведения, гидравлики, геофизики, геохимии, математики, физики и других наук.

В современной гидрогеологии выделяют теоретические и прикладные разделы (отрасли). К теоретической группе относятся:

- общая гидрогеология (изучает структуру, состав, строение и общие свойства подземной гидросферы, закономерности размещения и существования разных видов воды в недрах Земли, роль воды в геологической истории Земли и происхождении жизни на Земле);

- динамика подземных вод (исследование законов движения подземных вод, закономерностей формирования их гидродинамического режима и ресурсов);

- региональная гидрогеология (закономерности распространения подземных вод в земной коре, типы гидрогеологических структур, формирование различных типов подземных вод);

- гидрогеохимия (исследование законов миграции химических элементов в подземной гидросфере и процессов формирования химического состава подземных вод);

- гидрогеотермия (исследование термических свойств и процессов теплопереноса с подземными водами);

К прикладной отрасли относятся:

- инженерная гидрогеология (гидрогеологические изыскания при проектировании и строительстве инженерных сооружений различного типа);

- гидрогеология месторождений полезных ископаемых, шахтная и рудная гидрогеология;

- гидрогеология минеральных (лечебных), промышленных и термальных вод,

- нефтепромысловая гидрогеология;

- мелиоративная гидрогеология;

- экологическая гидрогеология;

- мониторинг подземных водных объектов;

 

2. Современные проблемы гидрогеологии:

1. Изучение условий формирования подземных вод, водного баланса, изучение режима подземных вод, т.е. поведение их во времени.

2. Изучение условий формирования химического состава подземных вод;

3. Рациональное применение и использование подземных вод в народном хозяйстве.

Актуальной является проблема оценки влияния природных и техногенных вибрационных полей на движение и химический состав подземных вод, поскольку традиционная гидрогеодинамика рассматривает фильтрацию воды относительно неподвижной порово – трещинной среды.