Гидрогеология

Наука
Гидрогеология
Тема	Геология
Предмет изучения	Подземные воды
Период зарождения	2-я половина XIX века
Основные направления	Геохимия, региональная гидрогеология, прикладная гидрогеология

Гидрогеоло́гия (от др.-греч. ὕδωρ «водность» + геология) — наука, изучающая о под­зем­ных во­дах, их про­ис­хо­ж­де­ние, со­став, свой­ст­ва, ус­ло­вия за­ле­га­ния и рас­про­стра­не­ния, связь с гео­ло­гическими струк­ту­ра­ми и гор­ны­ми по­ро­да­ми, пи­та­ние, дви­же­ние и раз­груз­ку, ре­жим и ба­ланс, взаи­мо­дей­ст­вие с ок­ру­жаю­щей сре­дой (ат­мо­сфе­ра, по­верх­но­ст­ные во­ды), воз­мож­но­сти ис­поль­зо­ва­ния различных ти­пов под­зем­ных вод (пре­сных пить­е­вых, ми­нер. ле­чеб­ных и про­мыш­лен­ных, тер­маль­ных), про­бле­мы их ох­ра­ны от ис­то­ще­ния и ан­тро­по­ген­но­го за­гряз­не­ния. Гидрогеология тес­но свя­за­на с гео­ло­ги­ей, гео­хи­ми­ей, гео­крио­ло­ги­ей, гид­ро­ло­ги­ей, ме­тео­ро­ло­ги­ей и другими нау­ка­ми о Зем­ле, а так­же фи­зи­кой, хи­ми­ей, вы­чис­лительной ма­те­ма­ти­кой.

Объект и задачи

Основным объектом исследования гидрогеологии являются подземные воды (основной элемент гидросферы), особенности которого определяют содержание и методологию науки.

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.

Основные направления

Расширение знаний о подземной гидросфере, необходимость решения сложных и многообразных проблем освоения геологической среды привели к выделению следующих основных научных направлений в гидрогеологии:

1. Общая гидрогеология рассматривает происхождение, размещение, движение подземных вод и процессы их взаимодействия с горными породами, изучает особенности физических свойств подземных вод, находящихся во взаимодействии с поверхностными водами Земли.

2. Гидрогеохимия занимается изучением формирования химического состава подземных вод различного происхождения. Как научное направление она возникла на стыке геохимии и гидрогеологии. Развитие гидрогеохимии в нашей стране способствовало разработке гидрогеохимического метода поиска полезных ископаемых, основанного на регистрации в подземных и поверхностных водах следов химических элементов.

3. Динамика подземных вод исследует движения подземных вод в горных породах с целью количественной оценки этого процесса и управления им в нужном направлении.

4. Криогидрогеология изучает происхождение, условия залегания, распространения многолетних мёрзлых пород.

5. Региональная гидрогеология исследует закономерности условий залегания, распространения и формирования подземных вод отдельных регионов, разрабатывает принципы гидрогеологического картирования и районирования геологических сред с учётом их многообразия.

6. Горнопромышленная гидрогеология изучает подземные воды в связи с освоением месторождений твёрдых полезных ископаемых для обоснования инженерных мероприятий по предупреждению вредного влияния подземных вод на функционирование объектов горного производства.

7. 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.

На­уч­но-при­клад­ные на­прав­ле­ния: раз­ра­бот­ка ме­то­дов оцен­ки за­па­сов и ре­сур­сов различных ти­пов под­зем­ных вод, гидрогеологии ме­сто­ро­ж­де­ний по­лез­ных ис­ко­пае­мых (твёр­дых, неф­ти и га­за), ин­же­нер­ная и ме­лио­ра­тив­ная.

История

Накопление знаний о подземных водах началось в глубокой древности в связи с использованием их для питьевых целей в Египте и Греции. Пер­вые ра­бо­ты, в ко­то­рых рас­смот­ре­но про­ис­хо­ж­де­ние под­зем­ных вод, ус­ло­вия на­ко­п­ле­ния и их роль в про­цес­сах кру­го­во­ро­та во­ды на Зем­ле, от­но­сят­ся к I тыс. до н. э. (Фа­лес, Платон, Аристотель). Философы Древнего Рима (Лукреций, Сенека, Плиний Старший и др.) использовали и развивали представления Платона и Аристотеля о происхождении вод.

Наи­бо­лее близ­кие к со­вре­мен­ным пред­став­ле­ния о фор­ми­ро­ва­нии под­зем­ных вод да­ны Вит­ру­ви­ем в сочинении «Десять книг об ар­хи­тек­ту­ре» и позд­нее в тру­дах среднеази­атских учё­ных Би­ру­ни и М. Ка­ра­ди. В XVI—XVII веках во­про­сы про­ис­хо­ж­де­ния под­зем­ных вод и их дви­же­ния в зем­ной ко­ре рас­смат­ри­ва­лись в тру­дах ев­ропейских учё­ных (Г. Аг­ри­ко­лы, Б. Па­лис­си, Р. Де­кар­та, И. Ке­п­ле­ра, А. Кирхе­ра).

Значительный вклад в разработку важнейших направлений гидрогеологической науки внёс великий русский ученый М.В. Ломоносов. В работах «О слоях земных», «О рождении металлов от трясения земли» он связывал вопрос происхождения подземных вод с количеством и просачиванием атмосферных осадков, рассматривал различные проницаемости горных пород по отношению к воде, рассуждал о процессах взаимодействия подземных вод с горными породами.

В конце XVII века естествоиспытатели П. Перро и Э. Мариотт на основе очных наблюдений и расчётов доказывают атмосферный генезис пресных артезианских вод. Первое математическое описание движения подземных вод дано французским гидравликом А. Дарси (1856), им открыт закон движения вод и методики фильтрационных расчётов, ко­то­рые бы­ли про­дол­же­ны французскими учё­ны­ми Ж. Дю­пюи, А. Ти­мом, американским ис­сле­до­ва­те­лем Ч. Слих­те­ром.

Возникновение гидрогеологии как науки относится ко второй половине XIX века, поскольку именно тогда наступил серьезный перелом в познании региональных гидрогеологических закономерностей и оформлении гидрогеологической теориию

В 1902 году австрийским геологом Э. Зюссом была предложена гипотеза ювенильного происхождения подземных вод (ювенильные воды) за счёт процессов синтеза водорода и кислорода в магматических расплавах (мантийное происхождение подземных вод). В 1902–1908 годах Н.И. Андрусовым, Г. Гефером и А.Ч. Лейном независимо друг от друга предложена гипотеза седиментогенного происхождения подземных вод. Ста­нов­ле­ние гидрогеологии свя­за­но так­же с име­на­ми А. Ше­зи (Фран­ция), Э. Прин­ца, К. Кей­ль­ха­ка, Х. Хё­фе­ра (Гер­ма­ния), А. Ха­зе­на, О. Мейн­це­ра (США) и др.

Развитие гидрогеологии в России

В России первые систематические исследования подземных вод связаны с созданием Российской академии наук (1724) и Геологического комитета (1882). Экспедициями Академии наук и Геологического комитета, а также в результате практической деятельности, связанной с организацией водоснабжения за счет использования подземных вод, были получены первые сведения о распространении подземных вод в различных районах страны (С.П. Крашенинников, И.В. Мушкетов, С.Н. Никитин, Г.Е. Щуровский и др.); природной зональности и связи химического состава грунтовых вод с физико-географическими условиями (В.В. Докучаев, В.Ф. Зуев, В. Оппоков, П.В. Отоцкий); распространении глубоких артезианских вод (Г.П. Гельмер, Г.Е. Щуровский, С.Н. Никитин и др.).

В 1920 году в Московской горной академии была начата подготовка инженеров-гидрогеологов. В 1922 году вышел первый учебник гидрогеологии П.Н. Чирвинского. В 1931 году состоялся первый Всесоюзный гидрогеологический съезд, на котором были представлены интересные работы по общим вопросам гидрогеологии (O.K. Ланге, А.Ф. Лебедев, Ф.П. Саваренский и др.); зональности грунтовых вод и принципам гидрогеологического районирования, динамике подземных вод.

В 1930—1940-х годах ин­тен­сив­но раз­ви­ва­лись ре­гио­наль­ные гид­ро­гео­ло­гические ис­сле­до­ва­ния, в т. ч. ар­те­зи­ан­ских вод с ана­ли­зом их меж­пла­сто­во­го взаи­мо­дей­ст­вия, оп­ре­де­ля­лись ха­рак­те­ри­сти­ки ти­пов гид­ро­гео­ло­гических рай­онов и зо­наль­но­сти грун­то­вых вод, изу­ча­лись за­ко­но­мер­но­сти фор­ми­ро­ва­ния тер­маль­ных, ми­неральных ле­чеб­ных и промышленных под­зем­ных вод. Раз­ра­ба­ты­ва­лись так­же ме­то­ды раз­ве­доч­ных гид­ро­гео­ло­гических ра­бот (Г. Н. Ка­мен­ский, М. Е. Аль­тов­ский, Н. А. Плот­ни­ков, С. В. Троя­нов­ский); ис­сле­до­ва­ния ре­жи­ма и ба­лан­са под­зем­ных вод, в т. ч. грун­то­вых вод, осо­бен­но для оро­шае­мых рай­онов (М. М. Кры­лов, М. А. Ве­вио­ров­ская, А. А. Ко­но­п­лян­цев); ме­то­ды гид­ро­гео­ло­гических рас­чё­тов и ана­ло­го­во­го мо­де­ли­ро­ва­ния дви­же­ния под­зем­ных вод в свя­зи с экс­плуа­та­ци­ей во­до­за­бор­ных со­ору­же­ний, круп­ным гид­ро­тех­ническим строи­тель­ст­вом, гор­ны­ми ра­бо­та­ми и оро­ше­ни­ем. Раз­ви­ва­лись гид­ро­гео­хи­мические ис­сле­до­ва­ния, свя­зан­ные с изу­че­ни­ем фор­ми­ро­ва­ния хи­мического со­ста­ва под­зем­ных вод; гид­ро­гео­хи­мические ме­то­ды по­ис­ков ме­сто­ро­ж­де­ний по­лез­ных ис­ко­пае­мых, ра­дио­гид­ро­гео­хи­мические ис­сле­до­ва­ния (В. И. Вер­над­ский, О. А. Але­кин, М. Г. Ва­ляш­ко, В. С. Са­ма­ри­на и др.). Вы­яв­ле­ны гид­ро­тер­маль­ные бас­сей­ны под­зем­ных вод (Н. Н. Сла­вя­нов, Ф. А. Ма­ка­рен­ко, Т. П. Афа­нась­ев, А. М. Ов­чин­ни­ков и др.). Соз­да­но уче­ние о про­вин­ци­ях ми­нер. вод (Н. И. Тол­сти­хин, А. М. Ов­чин­ни­ков, В. В. Ива­нов, Н. А. Ма­ри­нов); на­ча­ла фор­ми­ро­вать­ся неф­тя­ная Г. Про­во­ди­лись гид­ро­гео­ло­гическиеальных ис­сле­до­ва­ния об­лас­ти раз­ви­тия мно­го­лет­не­мёрз­лых по­род (О. А. Але­кин, М. Е. Аль­тов­ский, А. А. Брод­ский, М. А. Ве­вио­ров­ская, Н. К. Ги­рин­ский, Г. Н. Ка­мен­ский, А. М. Ов­чин­ни­ков, Н. Н. Пав­лов­ский, М. И. Сум­гин, А. И. Си­лин-Бек­чу­рин, Н. И. Тол­сти­хин, А. В. Щер­ба­ков, П. Ф. Шве­цов и др.). В конце 1940-х годов су­ще­ст­вен­ные ре­зуль­та­ты дос­тиг­ну­ты в раз­ра­бот­ке на­учных ос­нов оцен­ки ре­сур­сов под­зем­ных вод, пред­ло­же­ны их клас­си­фи­ка­ции, ме­то­ды кар­ти­ро­ва­ния, обос­но­ва­ния ис­поль­зо­ва­ния (Н. А. Плот­ни­ков, Ф. М. Бо­че­вер, М. Е. Аль­тов­ский, Н. Н. Бин­де­ман и др.).

Впервые появляются специальные гид­рогеологические учреждения, организован институт гидрогеологии ВСЕГИНГЕО, в ряде вузов страны началась подготовка специа­листов гидрогеологов.

Во второй половине — конце XX века гидрогеология бурно развива­ется в различных направлениях, выходит 50 томное издание «Гидрогеология СССР», 6 томное «Основы гидрогеологии» (1966—1978), подводящие итоги развития гидрогеологических знаний. Среди фун­даментальных работ этого периода можно назвать труды Г.М. Суха­рева, М.И. Субботы, Л.Н. Капченко, В.М. Швеца, Е.А. Барс и др.

О том, что вода представляет по химическому составу соединение водорода с кислородом, первым объявил французский учёный Лавуазье. Советский учёный Л.П.Вукалович составил таблицу термодинамических свойств воды и водяного пара до 700° С и давления 300 атм.

Методы исследований в гидрогеологии

Среди методов исследований можно выделить три группы:

1) Полевые методы включают проведение различных гидрогеологических исследований (съёмки, бурение и испытание скважин и горных выработок);

2) Лабораторные методы. Среди лабораторных методов можно выделить анализ химического и газового состава вод, определение фильтрационных параметров горных пород, моделирование движения подземных вод, откачки, наливы и др.

3) Расчётные методы связаны с определением гидродинамических параметров (коэффициенты фильтрации, пьезо- и уровнепроводность и др.), используемых при подсчёте запасов месторождений подземных вод. При проектировании разработки с заводнением нефтяных залежей проводятся расчёты допустимых депрессий и совместимости закачиваемых и пластовых вод и др.

Литература

• В. Н. Корценштейн. Методика гидрогеологических исследований нефтегазоносных районов. М.: Гостоптехиздат, 1963. — 168 с.; 2-е издание — М.: Недра, 1976. — 309 с.; 3-е издание — М.: Недра, 1991. — 418 с.
• Серебряков А.О. Гидрогеология России (рус.). — Москва: «Инфра-Инженерия», 2022. — ISBN 978-5-9729-0981-0.

Ссылки

• Гидрогеология. Предмет, задачи и методы гидрогеологии.