авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 12 |
-- [ Страница 1 ] --

2

ПРЕДИСЛОВИЕ

Высшее образование, как и вся наша жизнь, стремительно меняется,

оно уже стало многоуровневым, более фундаментальным, гуманитарным

многопрофильным и одновременно специализированным. Появились ранее

неизвестные бакалавры, магистры, лицеи, колледжи, частные вузы и

многое другое. Меняется не только структура, но и внутреннее

содержание образования. Все это требует создание новых учебников и

учебных пособий для студентов.

Применительно к гидрогеологии это особенно актуально по не скольким причинам. Резко обострившаяся экологическая ситуация возвела проблему чистой воды в ранг наиболее острых и актуальных для всего человечества. По оценкам приоритетов в науках о твердой Земле, выполненным Академией наук США в 1993 г., к высшим приоритетам относятся проблемы: 1) вода необходимого качества (53%);

2) очистка загрязненных подземных вод (11%);

3) глобальные геохимические и биохимические циклы (4%);

4) предсказание геологических катастроф (4%);

5) флюиды внутри Земли и на поверхности (2%). Все эти проблемы в основной своей части являются гидросферными и требуют переосмысления именно с гидрогеологической позиции.

В 1996 г. исполняется 60 лет со дня выхода последнего тома "Истории природных вод" В.И. Вернадского, где впервые наиболее полно раскрыто особое положение воды на нашей планете и фундаментальные свойства гидросферы в целом. К сожалению, эти идеи до сих пор не нашли должного отражения в учебниках и остаются известными ограниченному кругу людей. Сложившаяся в мире водно экологическая ситуация настоятельно требует коренного улучшения пропаганды и реального использования идей этого великого ученого.

Возникла синергетика — наука о саморазвитии систем материального мира, одним из главнейших компонентов (или стихий, как говорили в древние времена) которого является вода. Водные растворы, пронизывающие горные породы земной коры и все органические соединения, в силу своих особых свойств иг рают важнейшую роль в становлении и развитии всего окружа ющего мира. И гидрогеология, как наука о подземной гидросфере, не может стоять в стороне от развивающихся синергетических представлений.

В Гидрогеологии в настоящее время идет переосмысление содержания как самой науки, так и ее роли в решении многих практических задач.

Из чисто геологической, она все больше превращается в науку комплексную о гидросфере в целом и ее роли в становлении, развитии и эволюции всего окружающего мира. В этой связи меняются роль и значение гидрогеолога, который должен не только искать и разведывать месторождения подземных вод, но и оценивать роль и значения естественного и техногенного изменения водного режима территории на всю окружающую среду, разрабатывать прогнозы таких изменений.

Имеются и другие более частные предпосылки, которые требуют новых подходов к учебникам. Дело в том, что по новым учебным планам для бакалавров геологического направления введен курс гидрогеологии и инженерной геологии, в котором студенты знакомятся со многими положениями практической гидрогеологии. Поэтому на более высоком (третьем) профессиональном уровне появляется возможность читать более сложный, чем делалось ранее, курс общей гидрогеологии. Именно такай базовый курс с учетом уже ранее полученных студентами знаний и предлагается тем, кто выбрал себе профессию гидрогеолога.

Из сказанного ясно, что данный учебник не заменяет уже существующие, а развивает и дополняет многие положения, изложенные в них. Этот учебник предназначен для лиц, уже знакомых с некоторыми основами гидрогеологии. Он более труден для восприятия, так как более сложен по структуре изложения и перечню излагаемых понятий и вопросов. Он отражает тот новый уровень знаний о подземной гидросфере, который сложился к настоящему времени.

Тем не менее учитывая, что этот учебник для студентов вузов в нем даны формулировки основных базовых определений и поня тий, используемых в гидрогеологии, описаны главные законы, постулаты, закономерности, процессы и явления, необходимые для усвоения материала. При этом первые главы написаны более просто и доступно, чем последующие. Постепенно изложение усложняется, а фактов и закономерностей приводится все больше, простые понятия заменяются более сложными, описание явлений углубляется.

Поэтому рекомендуется изучать материал учебника в той последовательности, как он изложен, не пропуская разделов. Это значительно облегчит задачу усвоения материала. В последних главах изложение ведется не столько в форме констатации фактов и положений, а в форме приглашения студента к размышлению и анализу фактов или явлений. По своей сути это не просто описание содержания гидрогеологии и методов решения гидрогеологических проблем, а введение в изучение теоретических основ гидрогеологии.

Автор выражает глубокую благодарность рецензентам профессорам В.А.

Кирюхину, В.М. Матусевичу, В.М. Швецу, Н.М. Рассказову и А.Р.

Курчикову за практические замечания, высказанные в процессе подготовки учебника.

Г л ав а СОДЕРЖАНИЕ, ИСТОРИЯ И МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГИДРОГЕОЛОГИИ 1.1. ПРЕДМЕТ, ЗАДАЧИ И СОДЕРЖАНИЕ ГИДРОГЕОЛОГИИ Втому времени определение гидрогеологии: "Гидрогеология имеет предметом 1933 г. академик Ф.П. Саваренский дал следующее наиболее полное по изучения подземные воды, их происхождение, условия их залегания, движения, свойства и условия, определяющие те или иные технические мероприятия по использованию подземных вод, регулированию их или удалению" [14].

Гидрогеология является частью геологии и изучает подземные воды на основе анализа истории развития земной коры в тесной связи с горными породами, слагающими литосферу, и ее структурными особенностями. Иначе говоря, гидрогеология — это наука о геологии воды.

Значение подземных вод, как одного из наиболее подвижных тел земной коры, исключительно велико во всех геологических процессах, что особенно четко было показано академиком В.И. Вернадским. Вот что он писал по этому поводу: "Вода, образующая сплошь одну из земных геосфер — гидросферу, определяет всю химию земной коры в доступной нашему непосредственному изучению ее области. Химические реакции идут главным образом в водных растворах, жидких или парообразных, и свойства растворов обусловливают в главной мере генезис вадозных и фреатических минералов. Они же определяют среду жизни." [2, с. 15]. В самом деле, исключительная роль воды бесспорна при всех геохимических процессах, которые происходят в земной коре, начиная от магматических, пегматитовых, гидротермальных, метаморфических и кончая разнообразными гипергенными и седиментационными процессами. Везде речь идет, по существу, об образовании минералов или их разрушении в результате взаимодействия сложных природных растворов с горными породами. В.И. Вернадский неоднократно подчеркивал особое положение воды среди природных химических соединений и настаивал поэтому на необходимости особенно тща тельного и глубокого ее изучения.

Не менее велика и практическая роль подземных вод как "наиболее драгоценного ископаемого" (по выражению академика А.П. Карпинского).

Издавна подземные воды используются человеком для питья и хозяйственных целей. В настоящее время сельское население практически полностью удовлетворяет свои потребности за счет подземных вод. Последние являются также основным источником городского хозяйственно-питьевого водоснабжения в большинстве европейских стран. Так, по данным Европейской экономической комиссии, в Австрии, Бельгии, Венгрии, Дании, Нидерландах, Румынии, Швейцарии и Югославии доля подземных вод в общем балансе хозяйственно-питьевого водоснабжения составляет более 70%;

в Болгарии, Италии, Португалии, Словакии, ФРГ и Чехии — от 50 до 70%. А для таких стран, как Дания. Мальта, Саудовская Аравия, Кувейт, подземные воды являются единственным источником водо снабжения. Полностью или почти полностью на подземных водах основано водоснабжение таких крупных городов Европы, как Будапешт,. Вена, Гамбург, Копенгаген, Мюнхен, Рим и др. [6].

На территории бывшего СССР также почти 60% городов имеют исключительно подземные источники водоснабжения, порядка 20% смешанные (подземные и поверхностные) и только 20% — поверхностные.

Подземное водоснабжение имеют не только малые и средние города (Красноярск, Новокузнецк, Вильнюс, Томск, Чита), но и многие крупные, с населением более 1 млн. Так, преимущественно подземными водами удовлетворяется потребность в воде питьевого качества таких крупных городов, как Алма-Ата, Баку, Ереван, Киев, Минск, Тбилиси, Ташкент, Харьков, Ашхабад и др.

Подземные воды широко используются для лечебных целей. Так, в СССР в 1981 г. добыча минеральных вод составила более 1,2 млн м 3. В это же время насчитывалось 273 курорта и санатория и свыше 130 заводов розлива.

Исключительная роль принадлежит подземным водам как источнику химического сырья. Из подземных вод во многих странах давно добывается бор, натрий, магний, литий, хлор, бром, йод, в меньших объемах добывают германий, рубидий, стронций, кальций, цезий, на отдельных месторождениях также медь, цинк, уран, радий, вольфрам, мышьяк, серу и др.

Серьезное значение имеют подземные воды как источник тепловой энергии. Прогнозные ресурсы термальных вод с температурой 40-200° С только на территории бывшего СССР составляют 250 м 3 /с, из них в Западной Сибири 180 м 3 /с. С использованием тепла подземных вод построены Паужетская геотермальная электростанция на Камчатке, осуществлено отопление микрорайонов в Тбилиси, Махачкале, Грозном, Зугдиди и др. Теплоснабжение за счет термальных вод частично осуществляется на Камчатке, в Тюменской и Омской областях, Бурятии, Казахстане и т.д.

Во многих случаях подземные воды являются вредным фактором и играют отрицательную роль. При строительстве гидротехнических сооружений, тоннелей, метрополитенов, при разработке месторождений полезных ископаемых подземные воды часто осложняют ведение работ и требуют значительных капиталовложений для борьбы с ними.

Ценность воды как природного минерала связана с ее исключительными свойствами. Главные среди них следующие:

1) исключительная подвижность;

2) способность к фазовым переходам в термодинамических ус ловиях земной коры;

3) чрезвычайная химическая активность: нет в условиях земной коры природных тел, которые в той или иной мере не растворялись бы в природных водах;

4) "всюдность" (по выражению В.И. Вернадского) является одним из самых удивительных свойств воды. Нет на Земле уголка, где бы не было воды в той или иной форме.

Наша земная кора представляет собой своеобразный океан, из которого выступают небольшие участки суши. И это потому, что более 2/3 поверхности Земли занимают океаны, а главное потому, что везде в осадочной оболочке имеются целые подземные "моря", пропитывающие горные породы. По мнению ряда авторов, количество подземных вод в земной коре соизмеримо с количеством поверхностных. По данным американского исследователя А. Пол дерваарта, масса всей подземной воды в породах земной коры составляет млн. км3. Еще большую величину приводит русский ученый В.Ф. Дерпгольц — 1050 млн. км33, которая соизмерима с количеством воды Мирового океана — 1370 млн. км [12].

Исходя из практических целей, чаще учитывают только свободные и физически связанные воды верхней части земной коры до глубины 5 км. В этом случае доля подземных вод в общем балансе всех природных вод относительно невелика и составляет 4,12%. (табл. 1.1).

Таблица 1. О б ъе м ги д р ос фе р ы и и нте нс и вн ос т ь в о до о б ме на (п о М. И. Л ь в ов и чу ) Виды вод Объем воды. Доля % В озобновл ение тыс. км3 зап асов, лет Мир ово й о кеа н 1 3 70 32 3 93,96 Подзем ные вод ы, (60 00 0) 14,12) (5000) в т.ч. зон ы ак тивн о го в од оо б ме на 4 00 0 0,27 Ледники 24 000 1,65 (10 000 ) Озер а 280 0,019 Почве нная вл ага (85) (0,006) 10-9) Пар ы атмо сфе ры 14 0,001 0, Речные воды 0,0001 0, В ся г и д р о с ф е р а 1 4 54 19 3 100 П р и м е ч а н и е. В ск о б ка х пр и ве д е н ы о ри е н ти р ов о чн ы е д а нн ы е.

Исключительность перечисленных свойств воды делает ее одним из важнейших природных объектов. Сложность и многообразие вод на Земле привели к тому, что это единственное природное тело изучается целым рядом наук. Кроме гидрогеологии, о которой речь впереди, природные воды изучаются океанологией, гидрологией, метеорологией, гляциологией, гидравликой, в меньшей степени минералогией, вулканологией, почвоведением, петрографией, геохимией и многими другими науками, с которыми гидрогеология имеет генетическую связь. Кроме того, являясь геологической наукой, гидрогеология тесно связана с общей геологией, геоморфологией, динамической геологией, тектоникой, структурной геологией, учением о месторождениях полезных ископаемых и многими другими. С этими геологическими науками гидрогеологию объединяет, прежде всего, тесная связь горных пород с подземными водами и общность методики исследований.

В свою очередь, внутри гидрогеологии развивается целый ряд самостоятельных научных направлений, оформившихся в самостоятельные научные дисциплины, которые можно разбить на две группы, определяющие соответственно ее теоретическое и методологическое содержание. К первой группе относятся общая геология, гидрогеодинамика, гидрогеохимия, палеогидрогеология, региональная гидрогеология.

Общая гидрогеология изучает структуру, состав, строение и наиболее 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. Такой подход к общей гидрогеологии наиболее полно сформулирован известным исследователем Сибири Е.В. Пиннекером в работе [12] и наиболее соответствует современному уровню знаний.

Гидрогеодинамика исследует закономерности движения различных форм подземных вод: фильтрацию, конвекцию, диффузию, осмос, капиллярный перенос и т.д. с учетом конкретной структуры подземного потока, определяемого не в последнюю очередь геологическими особенностями территории.

Гидрогеохимия обеспечивает изучение особенностей миграции атомов химических элементов в подземной гидросфере на базе эволюционного развития системы вода —порода —газ —органическое вещество. Центральным вопросом гидрогеохимии является выявление путей формирования разнообразных геохимических типов под земных вод, а также прогноз изменения их качества. Последнее стало особенно актуальным в последние десятилетия в связи с ухудшающейся экологической ситуацией на Земле.

Региональная гидрогеология — наука о связи пространственно-временного распределения подземных вод в земной коре с характером и историей развития геологических структур. Проблемный вопрос в данном случае — роль геологической структуры в формировании ресурсов и состава подземных вод в конкретном регионе.

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.

Экологическая гидрогеология. Строительство водохранилищ, вырубка лесов, распашка земель, разработка месторождений полезных ископаемых — эти и другие виды деятельности человека во многом изменили режим и состав подземной гидросферы, масштабы которого не всегда поддаются простому учету. Возникла проблема глобального управления подземной гидросферой с целью оценки масштабов возможных изменений геологической и окружающей среды. Эта задача только еще делающей первые шаги экологической гидрогеологии.

Перечисленные фундаментальные разделы современной гидрогеологии, к которым можно добавить учение о минеральных водах, учение о режиме и балансе подземных вод, гидрогеотермию, тесно связаны между собой и составляют ее теоретическую основу.

Ко второй группе разделов гидрогеологии относятся дисциплины, непосредственно определяемые запросами производства: поиски и разведка подземных вод, разведочная гидрогеология, гидрогеология месторождений полезных ископаемых (рудных и нефтяных), мелиоративная гидрогеология, гидрогеохимические поиски месторождений полезных ископаемых, гидрогеология городов, охрана подземных вод и др. Все эти направления методологически тесно связаны и базируются на методах, применяемых в других науках о Земле и трансформированных к изучению подземной гидросферы. В значительной мере они заимствованы из геологии (съемка, кар тирование, палеогидрогеологический анализ), гидравлики, геохимии, исторической геологии.

Картирование территории — один из основных методологических приемов в гидрогеологии, применяемых прежде всего7 для изучения региональных закономерностей. Вместе с тем подземная гидросфера — продукт длительного геологического развития, и ее изучение невозможно без исторического (генетического) подхода, который позволяет проследить этапы развития подземной гидросферы и на базе теоретических обобщений разработать прогноз ее изменений.

Вода отличается от других геологических объектов постоянным движением, участием в круговоротах. Формы ее движения различны (гравитация, диффузия, фильтрация, конвекция, осмос, капиллярный перенос и т.д./, но в общем виде являются частью геологического движения, познание которого невозможно без математического, термодинамического, физико-химического, гидравлического моделирования. Моделирование, как методология познания общего путем его разложения на отдельные составляющие, играет все возрастающую роль в гидрогеологии. Особенно велики перспективы моделирования с применением ЭВМ.

Подземная гидросфера в земной коре теснейшим образом взаи модействует с литосферой, биосферой, атмосферой, а также мантией и космосом. Взаимодействие этих важнейших составляющих приводит к направленной эволюции, образованию новых продуктов в виде минералов, руд, пород, геохимических типов воды. Как выяснилось в самое последнее время, система вода —порода, например, обладает свойствами самоорганизации, т.е. относится к типу синер-гетических [20]. Это же, по мнению Ф.А. Летникова, относится и ко многим другим геологическим системам. Поэтому методологические приемы синергетики должны стать одними из главных в арсенале гидрогеологии.

Гидрогеология, как и другие геологические науки, опирается на принцип актуализма, гласящий, что "настоящее — ключ к познанию прошлого", а также на методы фундаментальных наук — математические, физические, химические, биологические, значение которых для специалиста — гидрогеолога обязательно. Для анализа и оценки гидрогеологических явлений и процессов применяются многие частные методы (опытно фильтрационные работы, режимные наблюдения, мониторинг подземных вод лабораторные работы и др.).

Уже изложенное показывает, что объектом гидрогеологии служит подземная гидросфера, которую необходимо рассматривать в тесном единстве с другими составляющими земной коры — горными породами, газами, органическим веществом и, конечно же, деятельностью человека, который" по выражению В.И. Вернадского стал геологической силой.

К такому пониманию содержания гидрогеологии ученые пришли не сразу.

Долгое время считалось, что гидрогеология изучает не подземную гидросферу, а подземные воды, что и отражено в приведенном выше определении Ф.П. Саваренского, который к последним относил "капельно жидкую воду, заполняющую пустоты и поры в горных породах, способную к перемещению в них и вытеканию или извлечению из них" [14, с. 13]. Такое же понимание подземных вод можно найти в работах немецких (К. Кейльгак, Р.

Кене, Е. Принц, В. Рихтер), французских (А. Шеллер, Ж. Марга, Ж.

Кастани), американских (О.Е. Мейнцер, Ч. Толмен, Д.К. Тодд, С. Дэвис, Р.

де Уист), бельгийский (П. Фурмарье) и других исследователей.. Но подземные воды, т.е. капельно-жидкая вода, — это только часть подземной гидросферы и, как выясняется, не самая ее большая часть. Все это позволило Е.В.

Пиннекеру пересмотреть содержание гидрогеологии. И это не прихоть исследователя, а глубокий анализ объективного состояния конкретной ситуации.

Дело в том, что во второй половине XX в. гидрогеология вступила в качественно новый этап развития, связанный с освоением огромной массы нового фактического материала, пересмотром многих теоретических положений, переходом в своем развитии от ста дии собирания фактов к их объяснению и разработке прогнозов. Тем самым гидрогеология из учения о явлениях превратилась в науку о процессах и их закономерностях. Предметом гидрогеологии стали не просто подземные воды, а подземная гидросфера в целом^. Все это и позволило дать новое определение гидрогеологии, которое в несколько сокращенном виде формулируется следующим образом. Гидрогеология — это наука о подземной гидросфере, ее генезисе, истории развития, составе, закономер ностях пространственного распределения и формирования, взаимодействия с другими оболочками земной земной коры, охраны, управления и использования [12].

1. 2. ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ ЖИДКОЙ ВОДЫ И ЕЕ НЕКОТОРЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА 1. 2. 1. Необычность ф из ическ их свойств воды Вода — одно из самых удивительных соединений на Земле — давно уже поражает исследователей необычностью многих своих физических свойств. Так, по результатам вычислений Д. Херда [17], температура плавления воды должна была составить по аналогии с температурой плавления гидридов других элементов, минус 120° С, а не 0° С, как это наблюдается на самом деле. По тем же соображениям ее температура кипения должна быть равной минус 112° С, а фактически она равна +100° С.

Не менее удивительным является тот факт, что плавление воды сопровождается не расширением, как у подавляющего большинства соединений, а сжатием. Наибольшей плотностью, а следовательно, и наименьшим удельным объемом вода обладает при температуре, равной 4° С (табл. 1.2), а не при 0° С, как это можно было бы предположить. При повышении температуры от 0 до 4° С плотность воды возрастает, и только при больших температурах она начинает уменьшаться.

Из всех жидкостей вода — самый могучий растворитель: она растворяет почти все вещества, кроме жиров и углеводородов. Это ее свойство обусловлено, в частности, ее исключительной диэлек трической проницаемостью, равной 80 при комнатной температуре.

Фактически это означает, что два противоположных электрических заряда в воде взаимно притягиваются с силой, равной 1/80 силы их взаимного притяжения в воздухе. Вследствие этого ионы в воде отделяются от кристалла соли значительно легче, чем если бы кристалл находился в воздухе.

Удивительные свойства воды можно было бы перечислять и дальше: к ним относятся необычная зависимость вязкости воды от давления, большая теплоемкость воды, ее большое поверхностное Таблица 1. Некотор ые свойства воды при температуре до 100° С [ 13] Температура, Плотность, Удельный объем, Вя зкость, Диэлектрическая г/см3 см3/г м П а-с постоянная •с 0 0,99987 1,00013 1,787 87, 5 0,99999 1,00001 1,516 85, Ю 0,99973 1,00027 1,306 83, 20 0,99823 1,00177 1,002 80, 30 0,9956 8 1,00434 0,7975 76, 40 0,9922 1,0078 0,6531 73, 50 0,9880 1,0120 0,5467 69, 60 0,9832 1,0170 0,4666 66, 70 0,9778 1,0227 0,404 63, 80 0,971 8 1,0289 0,355 61, 90 0,9653 1,035 9' 0,315 58, 100 0,9683 1,0434 0,282 55, натяжение и др. Однако уже приведенные данные красноречиво говорят о необычности многих свойств воды, причина которых кроется в своеобразном строении молекулы воды, обусловленном наличием в воде водородного типа связи.

Коротко, суть водородной связи сводится к тому, что ион водорода, связанный с каким-то ионом другого элемента, способен электростатически притягивать к себе другой ион того же элемента. Графически этот факт изображается так: А — Н...В, где А и В ионы какого-либо элемента (в данном случае кислорода).

Левая часть приведенного выражения характеризует прочную химическую связь между водородом и кислородом, существующую в самой молекуле воды, а правая — более слабую и по расстоянию более длинную водородную связь между водородом и атомом кислорода другой (соседней) молекулы воды. Следовательно, наличие водородной связи в воде способствует возникновению молекулярных агрегатов, которые представляют собой не что иное как группы молекул воды, размеры и свойства которых меняются в зависимости от температуры, определяя тем самым аномальные свойства воды. Рассмотрим этот вопрос несколько подробнее.

1.2.2. Строение жидкой воды Состав молекулы воды из двух атомов водорода и одного атома кислорода обеспечивает наличие в ней трех электрических центров: двух положительных и одного отрицательного. Благодаря такому строению каждая молекула воды в состоянии образовать четыре водородных связи (рис. 1.1). В настоящее время установлены следующие расстояния между отдельными атомами в молекулах воды, соединенных водородной связью: О - Н = 0,0976 нм и Н...0 = 0, нм, т.е. водородная связь оказывается длиннее химической на 70%. Угол связи, образованный двумя атомами водорода Н-О-Н, равный 107,2° (рис.

1.2), близок к углу тетраэдра. Поэтому молекулу воды уподобляют тетраэдру, два угла которого заряжены положительно, а два — отрицательно.

Вследствие этого молекула воды оказывается электрическим диполем с дипольным моментом, равным 0,615-10""29 Кл-м, и диэлектрической постоянной, равной 87,74 при 0° С.

Таким образом, аномально высокая диэлектрическая проницаемость воды и связанная с нею способность растворять соли в основном определяются наличием в воде водородных связей.

Указанные выше размеры водородной связи не следует считать неизменными при любых условиях. Например, для льда установлена прямая зависимость длины связи от температуры: при понижении последней на 1С длина водородной связи уменьшается на 0,16·10-4 нм, что определяет заметное увеличение вязкости льда [1].

Благодаря наличию в воде водородных связей в расположении ее молекул отмечается высокая степень упорядоченности, что сближает Рис. 1.1. Тетраэдрический харак- Рис. 1.2. Межъядерные рассто тер водоро дной связи в во де яния и у го л связи в во де Рис. 1.3. Тетраэд ричес-ки коо рд ини рова нная решетка воды, напоминающая решетку триди-мита [1 ] ее с твердым телом. С другой стороны, вследствие таких связей в ее структуре возникают многочисленные пустоты, определяющие очень большую рыхлость строения последней (рис. 1.3). Этим и объясняется несоразмерно высокая температура плавления воды, так как для разрыва водородных связей необходима значительно большая энергия, чем в случае действия лишь одних ван-дервааль-совых сил, которые связывают молекулы в газах.

Следовательно, наличие аномалий в физических свойствах воды объясняется наличием водородных связей. Более подробное изложение характера водородной связи и строения молекул воды можно найти у Ч. Коулсона [9].

Начало современным исследованиям воды с позиций существования в ней водородных связей принадлежит английским исследователям Дж. Берналу и Р.

Фаулеру. На основании спектроскопических и рентгенографических исследований они установили, что структура воды имеет тетраэдрический характер, при котором каждая ее молекула окружена по тетраэдру четырьмя другими молекулами (см. рис. 1.1). Эти ученые выдвинули гипотезу, что в воде сосуществуют три типа расположения ее молекул, преобладающих при различных температурах: вода I — типа льда — тридимита устойчива при температуре ниже 4° С, вода II — типа кварца — преобладает в интервале температур от 4 до 200° С и вода III — плотно уложенная идеальная жидкость типа аммиака, т.е. не имеющая водородных связей, существует при температурах выше 200° С. С изменением температуры эти формы связи непрерывно переходят одна в другую, однако это не значит, что в воде имеются отдельные объемы с разной структурой. При всех температурах вода остается гомогенной и только средние взаимные расположения молекул в большей или меньшей степени напоминают воду I, II или III.

О.Я. Самойлов [15] на основании экспериментальных работ и теоретических расчетов предложил одноструктурную модель жидкости, согласно которой каждая молекула воды соединена водородными связями с четырьмя соседними молекулами, расположенными по углам тетраэдра. При этом расположение молекул воды в непосредственной близости друг от друга соответствует по форме льдо-подобному каркасу, слегка нарушенному тепловым движением, пу стоты которого частично заполнены молекулами воды. При таком подходе в жидкой воде нельзя выделить структурно разнородные участки. Вода в этом случае представляет собой единое целое, любые элементарные объемы которой в каждый данный момент структурно соответствуют друг другу. По последним данным, модель О.Я. Самойлова лучше других согласуется с экспериментальными данными и более реально характеризует строение воды.

Несколько иной подход к оценке природы водородных связей и существующих в воде агрегатов ее молекул предложил итальянский исследователь М. Аджено. Основываясь на представлениях квантовой механики, он полагает, что связь между молекулами воды осуществляется с помощью водородных мостиков, которые образуют кольцевые структуры. В таком кольце водородных мостиков нельзя разрушить один из них, не затронув при этом состояние других. Тем самым существующая в кольце связь в полной мере соответствует понятию коллективной связи.

Кольцевые образования могут создавать агрегаты молекул воды различной конфигурации (рис. 1.4). Возможность возникновения в жидкой воде такого рода агрегатов М. Аджено объясняет тем, что молекулы воды в состоянии участвовать не в четырех водородных связях, как указывалось выше, а лишь в двух, что значительно упрощает схему строения воды и объясняет такие ее свойства, как анизотропность.

В воде в один и тот же момент могут присутствовать все возможные типы агрегатов молекул, причем равновесие между ними будет зависеть от термодинамических условий системы. При тепловых движениях эти агрегаты, сталкиваясь между собой, могут терять часть своих молекул и тем самым преобразовываться в другие типы. Однако общее число водородных мостиков при неизменных термодинамических условиях будет постоянным.

Что касается геометрической формы возникающих в воде агрегатов, то по этому вопросу существуют различные точки зрения. Отметим, что большинство авторов исходит из того, что молекулы объединяются в трехмерные ассоциаты, и только М. Аджено предполагает двумерное их строение, а следовательно, и геометрия двухмерных фигур будет в этом случае отличной от геометрии трехмерных фигур.

Независимо от характера образующихся геометрических фигур характер структуры жидкой воды, по мнению большинства авторов, в каждый данный момент определяется соотношением в ней льдо-подобных ассоциатов с мономерными молекулами воды, т.е. соотношением групп молекул, имеющих водородные связи, с одиночными молекулами, лишенными этих связей. Эта соотношение зависит от целого ряда факторов, и одно из самых важных мест в этом ряду занимает температура.

Лед отличается от жидкой воды тем, что имеет кристаллическую структуру, в нем все 100% молекул воды связаны между собой водородными связями. В то же время в воде всегда имеется некоторое количество мономерных молекул.

Плавление льда сопровождается разрушением его кристаллической решетки и разрывом части водородных связей или по крайней мере их искажением.

Сохраняющиеся при этом агрегаты молекул воды с водородными связями представляют собой как бы островки кристаллических структур, разбавленными мономерными молекулами воды. Соотношение между этими группами молекул и одиночными молекулами воды зависит, кроме температуры, от давления, состава воды, характера связи воды с твердым телом, влияния внешних полей (электрических, магнитных) и других факторов. В реальных природных условиях структура воды непрерывно меняется под влиянием тех или иных факторов (температуры, давления, состава, влияния физических полей и т.д.). По сути мы имеем воду с разной структурой в разных точках земли, которая к тому же меняется подобно течению воды в реке.

Рис. 1.4. Примеры молеку ляр ных агрегатов в жидкой во де. По М.

Аджено Таким образом, в жидкой воде, по сути дела, происходят взаимодействия не между разупорядоченными молекулами, свойственными жидкому состоянию, а между зародышами кристаллических образований. В этом смысле вода занимает как бы промежуточное положение между кристаллическим и жидким состоянием и более сходна с твердым телом, чем с идеальной жидкостью, т.е.

относится к числу "жидких кристаллов". По этой же причине состав воды лучше писать не в виде Н2 О, а в виде (Н2 О)п. В этой формуле п может колебаться в значительных пределах: от 12 до 860 в зависимости от температуры и только при Т 250-370° С (по разным данным) становится равным 1, т.е.

формула воды приобретает вид Н 2О.

В области надкритических температур и давлений, т.е. при Т 374° С и Р 21,8 МПа, по современным представлениям, вода находится не только в форме пара, как это можно было бы предполагать, но образует и жидкую фазу.

Появление последней объясняется эффектом повышенного давления, сопровождающегося увеличением плотности газовой фазы. При сжатии пара наступает состояние, при котором средняя длина свободного пробега молекулы уменьшается настолько, что каждая частица на достаточно длительное время оказывается в поле действия притяжения соседних молекул. Так могут возникнуть ассоциации молекул воды, соединенные водородными связями, т.е. вода физически будет соответствовать жидкой.

Структурные особенности воды изменяются не только под действием температуры и давления, но и под влиянием растворенных солей, электрического, магнитного и других физических полей, взаимодействия с твердыми и газообразными телами. Все это имеет большое геологическое значение, так как позволяет решить такие важные вопросы гидрогеологии и геологии в целом, как формирование химического состава подземных вод, формирование высококонцентрированных рудообразующих растворов, условия образования гидротермальных, многих эпигенетических и метаморфических месторождений и т.д. Изучение этих вопросов только начинается и сулит большие перспективы.

1.2.3. Структура и свойства тяжелой воды Еще в 1931 г. была доказано, что, кроме кислорода с атомным весом 16, существуют его изотопы с атомными ве сами 17 и 18. Соотношение этих изотопов в воде является следующим 16О : О : 18 О = 99,760 : 0,042 : 0,198. Несколько позднее, в 1932 г., был открыт также изотоп водорода с атомным весом 2 — дейтерий (D), а в 1939 г. — изотоп водорода с массовым числом 3 — тритий (Т). Распространенность этих изотопов характеризуется следующим соотношением: 1 Н : 2 Н = 99,9844 :

0,0156. Различные сочетания указанных изотопов могут образовать различных типов воды. Среди последних особое внимание исследователей привлекла так называемая тяжелая вода, Таблицa 1. Сравнительные данные для некоторых констант тяжелой и обычной воды С войства В ода об ыч ная В ода тя жел ая Плотность при 25' С, г/см 0,9970 7 1, Точка замерзания, "С 0 3, Точка кипения, 'С 100 101, Температура наибольшей плотности, 'С 4 11, Вязкость при 20" С мПах 1,002 1, Раств оримость при 25' С, г/л:

В аС 1 2 357 N aC I 359 состоящая из дейтерия и обычного кислорода — 2 Н216 О, главным образом благодаря необычности ее свойств (табл. 1.3).

Особенно резко отличаются биологические свойства обычной и тяжелой воды. Достаточно указать, что рыбы и мыши не могут прожить в тяжелой воде даже короткое время, в ней не прорастают даже семена, а химические реакции протекают в тяжелой воде гораздо медленнее, чем в обычной.

Распространение тяжелой воды в природе крайне неравномерно: ее содержание ничтожно мало в снеге, дождевых и поверхностных водах, значительно больше в океанах, растениях и животных, а особенно в некоторых минералах, в том числе метаморфических хлоритах.

Разница в физических свойствах тяжелой и обычной воды связана с различиями в размерах их молекул. Установлено, что расстояние O-D в молекуле тяжелой воды составляет 0,976 ± 0,0003 нм против 0,970 ± 0,000025 нм в обычной воде, а угол DOD — 104,2 ± 3° против 107,2 ± 3° для угла НОН.

Благодаря меньшим размерам и одновременно большей массе молекул тяжелой воды последние при возникновении льдоподобных структур оказываются ближе друг к другу, чем, молекулы обычной воды. Поэтому дейтериевая связь заметно прочнее водородной, что, в частности, сказывается в том, что величина концентрации льдоподобных ассоциаций при нагревании тяжелой воды уменьшается значительно медленнее, чем обычной. Если при 20° С концентрация льдоподобных ассоциаций в тяжелой воде в полтора раза выше, чем в обычной, то уже при 40° она выше в два раза. Все это хорошо увязывается с наблюдаемыми фактами.

1.3. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ 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., которые 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. Сохранились останки древних каменных колодцев на подземные воды на территории Акрополя (окрестности Афин), в районе Эль-Джем (Тунис), на Синайском полуострове, в Алжирской Сахаре и других местах. Лечебные воды Буды (Венгрия) были известны еще в Римскую эпоху.

Однако необходимо представить, что в это время господствовали мифические взгляды об окружающем мире. При этом большое значение придавалось действию разных богов. Так, у шумеров наполнение рек и источников связывалось с приближением к земному диску мудрейшего бога Энки, обитающего в Великой бездне Абзу. По представлениям, бытовавшим в Палестине в XI в. до н.э. между зловещим подземным царством и плоской землей находятся подземные воды, которые по каналам проникают на поверхность и питают моря и реки. Греческий философ-материалист Анаксимандр (610-546 гг. до н.э.) считал, что при высыхании земли образуются трещины, по которым циркулируют воздух, вода и пламя, сотря сающие землю при выходе на поверхность.

Но мировоззрение древних людей не мешало им вести практическую деятельность. Огромным их достижением является изобретение способа сооружения водосборных галерей, берущих воду из аллювиальных отложений конусов выноса и рыхлых пород. Такие сооружения, которые, вероятно, впервые были построены более 2500 лет назад в Иране, а затем в Афганистане и Египте, имели длину в несколько километров и накапливали воду для водоснабжения и орошения [5].

В начале нашей эры был известен в» общих чертах и химический состав подземных вод. Так, у одного из известных врачей первого века — у Архигенеса из Апамеимы находим деление минеральных вод на щелочные, железистые, соленые и серные.

Первые представления о генезисе и механизмах движения воды также возникли в глубокой древности. Первым ученым гидрологом можно назвать Фалеса из Милета (около 624-547 гг. до н.э.), родоначальника Ионийской школы философов. Он считал, что вода — есть начало всего и она образует основу окружающего мира, на которой "плавает суша". Все вещи возникли из воды, в которую они в конце концов превращаются. Морская вода, по его представлениям, ветром загоняется в земные недра, из которых под действием давления поднимается на поверхность, образуя родники. Хотя взгляды этого ученого далеки от реальности, тем не менее они весьма важны и поучительны для понимания развития представлений о роли воды в окружающем нас мире.

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 Critias якобы Платон довольно точно описывает круговорот воды в природе [4].

Ученик Платона Аристотель (384-322 гг. до н.э.) переработал и углубил идеи своего учителя. Он указывал, что морская вода попадает в реки после испарения и прохождения через сложную губкообразную систему подземных пустот. Он также признавал, что в пещеры вода попадает и из атмосферных осадков. Аристотелю же принадлежат и первые идеи о причинах разнообразия состава воды, которые он полностью объяснял составом горных пород. Его знаменитый постулат о том, что "воды суть такого качества, какого земли, (т.е. горные породы — С. Ш.) через которые они текут" в своей основе верный только частично, больше двух тысячелетий господствует в науке без каких-либо ограничений.

И все же если учесть огромную роль воды в жизни древних людей, необходимо согласиться с мнением американского исследователя Р. де Уиста [5], что греки, как ни странно, не достигли больших успехов в решении вопроса о происхождении подземных вод. Высказывается предположение, что отрицательную роль сыграл неверный тезис Платона и его последователей о том, что наука не должна основываться на экспериментальных наблюдениях. В результате между теорией и практикой возник огромный разрыв, который в течение 2000 лет позволял развиваться догматической науке о Земле и приводил ко многим абсурдным заключениям.

В древнем Риме также пытались разгадать природу подземных вод.

Наибольший вклад внес архитектор и инженер Марк Ветрувий Поллио (вторая половина I в. до н.э.), который, вероятно, первым правильно понял сущность круговорота воды в природе. Он считал, что вода тающих снегов просачивается в землю горных областей и появляется вновь на меньших высотах в виде родников, что совершенно правильно. Поэтому нужно согласиться с мнением Е.В. Пиннекера о том, что Витрувий Поллио является родоначаль ником инфильтрационной теории происхождения подземных вод. В противоположность Витрувию Луций Анней Сенека (I в. н.э.) — представитель философского направления римского стоицизма, придерживался взглядов Аристотеля, но отрицал возможность инфильтрации атмосферных осадков.

Неверное утверждение Сенеки о невозможности атмосферных осадков проникать в недра земли принималось в Европе учеными в течение лет. Все это время прогрессивные идеи Витрувио Поллио были практически забыты. Исключение составляют только работы французского испытателя Бернара Палисси (род. около 1510 г. — умер 1589 или 1590 г.), который в диалоге Теории и Практики, приведенном в его работе "Воды и родники", развивал вполне современные взгляды о круговороте воды в природе.

Необходимо также назвать работы Саксонского, естествоиспытателя Г.

Агриколы (1494-1555 гг.), который, опираясь на конкретные наблюдения за водопритоками в горных рудниках и изучая морфологию рудных тел, обосновал идеи о появлении здесь воды за счет просачивания с поверхности или сгущения водяных паров, поступающих снизу, принимавших непосредственное участие в рудооб-разовании. Идеи Г. Агриколы, к сожалению, во многом забыты и в гидрогеологии мало известны.

Тем не менее воззрения Платона и Аристотеля в интерпретации Сенеки, отрицавшего возможность питания подземных вод за счет просачивания атмосферных осадков, господствовали практически до конца XVII в. Это подтверждают работы двух влиятельных ученых своего времени: Иоганна Кеплера (1571-1630 гг.) — выдающегося немецкого астронома и Атанасиуса Кирхера (1610-1680 гг.) немецкого естествоиспытателя и математика. Кеплер утверждал, что Земля подобна большому животному, вдыхающему морскую воду, которая в нем переваривается и ассимилируется. В результате обра зуется пресная вода родников — конечный продукт обмена в организме земли. Кирхер в 1664 г. опубликовал книгу "Подземный мир", которая пользовалась большой популярностью у ученых XVII в. Это сочинение, основанное на взглядах античных мыслителей, но приспособленное к догмам церкви, было претенциозным по размаху воображения и непревзойденным по фантазии. Образование подземных вод он связывал с поступлением морских вод по каналам в огромные пустоты в горах, откуда она вытекает в виде родников. Водовороты типа мистического Мальстрома у берегов Норвегии Кирхер считал местами, где вода уходит в глубь земли через огромные отверстия в дне моря. В то же время он допускал, что морская вода в огненном жерле может нагреваться и давать родники горячих вод.

Не так к проблемам подземных вод подходили мыслители Ближнего Востока и Средней Азии. Примером являются труды выдающегося арабского философа, уроженца Хорезма А. аль-Бируни (972 или 973- 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 М.

Каради (умер в 1016 г.) "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.

Нельзя в этой связи не отметить, что бурение для получения воды зародилось в Китае, где еще несколько тысячелетий назад был изобретен ударно-канатный способ сооружения колодцев, который в принципе не отличался от современных. Еще в III тысячелетии до н.э. египтяне применяли колонковое ручное бурение в каменоломнях. Бурение колодцев длилось несколько лет, иногда десятилетий, но достигало огромных глубин (1200-1500 м).

В Европе бурение началось только в XII в. К 1126 г. относится проходка скважин на воду на севере Франции в провинции Артуа, которые вскрыли фонтанирующую воду. От названия этой провинции напорные подземные воды стали называть артезианскими. С 1137 г. производится бурение рассолодобывающих скважин и на Руси, где техника "верчения" и обсадки стволов деревянными трубами достигла высокого уровня [12] В ряде районов России в XI—XIII вв. подземные воды широко использовались не только для питьевых целей, но и для орошения земель и лечения. В XVIII в. устраиваются мощные подземные водопроводы в г.

Пушкино, вблизи Санкт-Петербурга, и в Мытищах. По указу Петра I впервые была установлена санитарная охрана питьевых вод и назначены различные поощрения за находку лечебных вод.

По настоящему научные исследования с использованием "числа и меры" начались только в XVII в. и связаны с именами французских исследователей Пьера Перро (1608-1680 гг.) и Эдма Мариотта (1620-1684 гг.), которых по праву можно отнести к основателям современной гидрогеологии. Они на примере р. Сены количественно показали, что атмосферные осадки — источник речной воды. Ими были заложены основы изучения речного баланса, что позволило отказаться от бытовавших взглядов на проникновение морской воды в недра.

Книга П. Перро "Происхожде ние источников", изданная в 1674 г.

считается первой работой в области научной гидрологии, трехсотлетие которой, по инициативе ЮНЕСКО, широко отмечалось в 1974 г. В этой книге на примере бассейна р. Сены показано, что речной сток составляет только 1/ часть от общего количества осадков и что "последних вполне достаточно для непрерывного тока воды в реках и источниках". Несколько позже известный англий ский астроном и геофизик Эдмунд Галлей (1656-1742 гг.) измерил количество испарений с поверхности Средиземного моря, которое оказалось равным количеству воды, поступающей с реками. Данные Галлея послужили первым доказательством круговорота воды.

Инфильтрационную теорию происхождения подземных вод под-.держивал и развивал великий русский ученый М.В. Ломоносов (1711-1765 гг.). В своей работе "О слоях Земных" (1740-1750 гг.) он показал значение подземных вод в геологических процессах и в горном деле, сформулировал ряд научных положений о подземных водах, как сложных природных растворах, обосновал возможность питания их атмосферными осадками, описал круговорот воды в природе, подчеркивал роль горных пород в формировании их состава, возможность использования воды при поисках рудных тел.

В это же время по инициативе Петра I и М.В. Ломоносова в России Академией наук организуются экспедиции по комплексному изучению природных богатств, включая подземные воды. В работах экспедиций принимали участие крупные русские ученые — СП. Крашенинников, В.Ф.

Зуев, Н.И. Лепехин, Н.Ф. Озерецков-ский, В.М. Севергин и др., которые собрали первые сведения о географическом распределении родников, их составе, условиях залегания верхних водоносных горизонтах, строении бассейнов, заложили первые "кирпичи" в здание региональной гидрогеологии.

Надо себе, однако, представлять, что в это время вода считалась компонентом мироздания, имеющим простое строение без деления на какие-либо еще более простые соединения. И тут понадобился гений французского исследователя с очень драматичной судьбой — Анту-ана Лавуазье, который рядом точных опытов показал, что при горении вещество не разлагается с выделением флогистона, как думали раньше, а, наоборот, происходит присоединение кислорода. Хотя этот газ был открыт раньше К.В. Шееле и Дж. Пристли, но его место и значение не было понято. Для этого нужно было А. Лавуазье показать, что вода — это не простое вещество, а сложное соединение, состоящее из кислорода и водорода. Тем самым был нанесен последний удар по теории флогистона и открыты новые пути в химию воды.


Развернувшаяся в конце XVIII в. и начале XIX в. ожесточенная дискуссия между плутонистами — сторонниками магматического образования горных пород (школа Д. Геттона) и нептунистами — сторонниками осадочно-морского происхождения горных пород (школа А.Г. Вернера), оказала большое влияние на развитие представлений о подземной гидросфере. Именно в это время ( г.) был предложен термин "гидрогеология" известным французским - есте ствоиспытателем Ж.Б. Ламарком (1744-1829 гг.), представителем школы нептунистов. Под гидрогеологией Ламарк понимал науку о геологической деятельности воды, явлении разрушения и отложения водой горных пород.

Другой французский исследователь Л. Эли де Бомон (1798-1874 гг.) указал на возможность форми рования подземных вод за счет кристаллизующейся магмы, положив фактически начало учению об ювенильных водах.

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. В 1857 г. другой французский инженер-гидравлик Ж. Дюпюи применил закон Дарси к исследованию движения подземных вод в водоносных горизонтах и вывел ряд важных уравнений для определения водопритоков в скважинах. Несколько позже немецкий гидравлик А. Тим и австриец Ф. Форхгеймер широко использовали математические методы изучения законов движения подземных вод.

Наряду с гидродинамикой ведется глубокое изучение и химии воды. В этом плане нельзя не назвать величайшее откры тие 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 [2].

Таким образом, ко второй половине XIX в. сформировались достаточно верные представления о происхождении, составе и распространении подземных вод в верхней части земной коры, сформулированы первые законы, заложены основы изучения региональных закономерностей, появились первые классификации подземных вод. На водоснабжение за счет подземных вод переводятся крупные города — Париж, Вена, Берлин, Чикаго и др. В это же время уже широко используются и изучаются минеральные, карстовые и арте зианские воды. Появились первые гидрогеологические карты. Все это позволяет заключить, что становление гидрогеологии, как науки, состоялась именно в это время [12]. Об этом же свидетельствует и тот факт, что в конце XIX в. выходят на французском (А. Добре, 1887 г.) и немецком (И.

Гааз, 1895 г.) языках книги, посвященные систематизированному изложению основ учения о подземных водах.

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 различ ных 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;

б) 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. Гфером (1902 г.), русским академиком Н.И. Андрусовым (1908 г.) и американским гидрологом А.Ч. Лейном ( 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.

Идея ископаемых морских вод получила развитие в работах многих исследователей и в настоящее время является базовой для понимания многих геологических явлений, и процессов, протекающих в земной коре. На основе этой идеи развилось представление о принципиально новом геологическом круговороте воды в земной коре. Это представление наиболее полно развито русскими исследователями А.Е. Ходьковым, Г.Ю. Валуконисом, А.Н.

Павловым, С.Л. Шварцевым.

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.

Идея ископаемых морских вод рождалась также не без споров и критики оппонентов. Явное несоответствие состава и солености захороненных вод современным морским водам вызывает и сегодня противоречивые мнения. Одни исследователи (Р. Миллс, Р. Уэллс, В.А. Сулин, Е.В. Посохов и др.) развивали идеи о том, что древние моря были иного, чем современные, состава, близкого к подземным рассолам;

другие (Д. Роджерс, Л. Мразек, Р. Нил, А.Д. Архангель ский, Н.С. Курнаков, М.Г. Валяшко и др.) выдвинули идею о метаморфизации (направленном изменении состава) морских вод в процессе их захоронения и взаимодействия с горными породами.

Однако механизмы такого взаимодействия и масштабы их проявления до конца не поняты до сих пор.

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 ювенильных вод. Так он назвал воды, генерируемые в глубинах Земли из водорода и кислорода. Ювенильные, т.е. первозданные воды, в отличие от вадоз-ных (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. Гфер (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 A.M. 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.

Региональные закономерности подземных вод исследовались во многих странах, но наибольших успехов в этом направлении добились, пожалуй, русские исследователи. К первым широким обобщениям этого плана относятся работы С.Н. Никитина (1900 г.), Н.Ф. Погребова (1902 г.), И.В. Мушкетова (1905 г.) и других исследователей, которые дали представление о закономерностях распространения и географической зональности подземных вод, их составе, глубине залегания и тем самым заложили реальные основы региональной гидрогеологии. Особенно велика роль С.Н. Никитина, которого по праву называют основоположником отечественной гидрогеологии. В его понимании, гидрогеология -наука "о подземных водах, их происхождении, условиях залегания и распределении в недрах земных, их движении и выхода на поверхность в виде источников".

Основным законом гидрогеологии С.Н. Никитин считал круговорот воды, а также ее зональность (гидродинамическая и гидрогеохимическая).

Работы великого русского ученого-почвоведа В.В. Докучаева о зональности почв оказали глубокое влияние на развитие учения о зональности грунтовых вод, которое с успехом развивали П.В. Отоцкий, B.C. Ильин, Ф.П.

Саваренский, Г.Н. Каменский и др.

Среди работ начала XX в. особняком стоят исследования американского геохимика Ф.У. Кларка, впервые рассчитавшего средние содержания химических элементов в горных породах, морских и поверхностных водах. Тем самым в научный обиход была введена новая константа, характеризующая состав земных объектов, — кларк, играющая важную роль и в гидрогеологии.

В это же время значительный вклад в науку о подземных водах внесли французские (А. Маже, Л. Поше, Р. Чало, Ж. Буссинеск и др.), немецкие (К. Кейльгак, Е. Принц, Е. Люгер и др.), американские (Ч. Слихтер, Д.


Мид, О. Мейнцер и др.), русские (П.Н. Чирвинский, П.И. Бутов, Н.Ф.

Погребов, А.Н. Семихатов, А.Ф. Лебедев, Ф.П. Саваренский, Г.Н. Каменский и др.) исследователи. Особенно популярными были работы К. Кейльгака "Подземные воды и источники суши", выдержавшая три издания (1912, 1917, 1935 гг.), Е. Принца "Гидрогеология" (1922 г.) и 0.Е Мейнцера "Гидрогеологические понятия, определения и термины" (1923 г.). Эти и другие труды зарубежных ученых (Ч. Слихтера, В. Рихтера, Г. Гфера) были переведены и изданы на русском языке.

Среди работ русских исследователей можно назвать первый учебник по гидрогеологии П.Н. Чирвинского [19], "Подземные воды СССР", А.Н.

Семихатова (1925 г.), "Краткий курс общей гидрогеологии" O.K. Ланге ( г.) и др. Однако наибольшее значение имела книга А.Ф. Лебедева "Почвенные и грунтовые воды" (1936 г.), в которой он поставил последнюю точку в тысячелетней дискуссии о механизмах проникновения воды в Землю: он доказал, что подземные воды передвигаются под действием не только силы тяжести, но также и сил молекулярного притяжения в виде пленочной или парообразной воды, Им же было разработано учение о видах воды в горных породах, сохраняющее свое значение и до настоящего времени.

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. [3] 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 опреде ленную 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 [12]. В СССР идеи В.И. Вернадского наиболее полно развивали крупные ученые Н.Н. Сла-вянов, Б.Л. Личков, A.M. Овчинников, Н.И. Толстихин, Е.В.

Пиннекер, А.И. Перелъман, И. К. Зайцев, Е.А. Басков, П.А. Удодов и многие другие. В табл. 1.4 в хронологическом порядке приводят Таблииа 1. Наиболее важ ные вехи становления гидрогеологии Важнейшие открытия Дата Автор (приоритет) 1 2 Зарождение конденсационной теории происхождения IV в. до н.э. Аристотель подземных вод, формулировка постулата "Каков ы породы, таковы и воды" Зарождение инфильтрационной теории происхождения 1 в. до н.э. М. Витрувий подземных вод и учения о круговороте воды в природе Открытие роли гидростатического напора в появлении А. Бируни 1001 г.

родников Первое изложение сведений о поисках подземных вод М. Каради 1016 г.

Первые св едения о роли воды в рудообразовании. Г. Агрикола 1545 - 1549 гг.

Объяснение происхождения подземных ру дничных вод за счет инфильтрации и конденсации Перв ый научный труд об основах кругов орота воды в П. Перро 1674 г.

природе. Официальная дата начала научной гидрогеологии Разработка основ истории природных вод Р. Бойль 1680 - 1690 гг.

Перв ый расчет водного баланса и научное обоснование Э. Мариотт 1686 г.

инфильтрационного происхождения подземных вод Создание гидродинамики и в ывод уравнения стационарного Д. Бернулли 1738 г.

движения идеальной жидкости Становление учения о роли подземных вод в рудообразо- М.В. Ломоносов 17 42 -1 7 57 гг.

вании Пр о д о л ж ен и е таб л. 1. 1 2 Раз рабо тка у чен ия о вод е, как гео ло ги ческом фак то ре раз - 1752 г. М.В. Ло моно сов вития З емл и (о ро ли вод ы в п роц ессах породообразовани я, метаморф изма и д р.) Создани е нача л учения о подзем н ых водах как п ри родн ых 1744 - 1754 гг. М.В. Ло моно сов растворах Доказательство сло жного состава вод ы из хим ических 1783 -1785 гг. А. Лавуазье элемен тов Введ ен ие в науку терм ина "гидро гео логия". Раз работка основ 1802 г. Ж.Б. Лама рк учения непту нистов Перво е хи ми ческо е и ссл едова ни е ор ган ич еского в ещ ества 1825 г. Дж. Берц елиу с подземных вод Первое исследова ни е по теор ии ф иль траци и 1848 г. Ж. Дюпюи Отк р ытие о снов ного зако на фи ль трац ии 1856 г. А. Дар си Зарождени е учения о ро ли подз ем н ых вод в терм ич еско м 1862 г. А. Ф. М идд ендо рф реж им е зем ной кор ы Первое гидро геох ими ческое исследова ни е 1864 г. Б. Лер ш Отк р ытие периоди ческой си стем ы элементов — одно го из 1869 г. Д. И. М енд ел еев основн ых законов естествознан ия, явля ющегося базой соврем енно й гидро геохим ии Постановка проблем ы изучения подземн ых вод в 1887 г. А. Доб ре истори ческом план е (начала палео гидро геоло ги и) Первая в сесторо нн яя оценка ро ли вод ы в геоло ги ческих 1888 г. И.В. М уш к ето в проц ессах Ста новл ен ие теор ии фил ьтрац ии 1889 г. М.Е. Жуковский Перво е система ти зиро ван ное изло жен ие свед ен ий о подзем - 1890-19 16 гг. А.В. Львов ных водах геок риосфер ы (становлени е гидро геок риологии ) Создан ие о снов регио нал ьно й гидро геоло ги и и на прав ления 1900 г. С. Н. Ни к итин по гидро гео логи ческому ра йон ирован и ю Разработка гипо тез ы ювени льн ых вод 1902 г. Э. З юсс Ана ли тич еское оп и сан ие неу ста нов ив шегося и уста но- 1904 г. Ж. Буссин еск вивш егося дв ижени й подзем н ых вод со свободной поверх ностью Пер в ые кла рк и состава о к еана и рек 1908 г. Ф. У. К л ар к Выявл ени е колич ествен ного соотнош ения и нфи льтра ции и 1908 -1913 гг. А. Ф. Леб ед ев конденсац ии в пи тани и -подзем н ых вод Разработка теор ии широ тной зона льности гру н тов ых вод 1914 г. П.В. Ото цк ий Зарождени е учения о м ин ераль н ых водах 1920 - 1947 гг. А. П. Гера си мов, А.М. Овч и нн ико в Поста новка п роблем ы изуч ен ия со става поров ых вод оса доч - 1929 г. В.И. В ернад ск ий н ых гор н ых пород и их роли в гео логическ их про цессах П р о д о л ж е н и е т а б л. 1. 1 2 Разработка основ современной гидрогеохимии 1929 г. Вер на д ск ий В.

И Разработка теории неустановив шегося движения подземных 1933 - 1 9 3 5 гг.. К ам ен ски й, Г.

Н в од К.В. Тей с Публикация "Истории природных вод" 1933 - 1 9 3 6 гг. Вер на д ск ий В.

И ся наиболее важные вехи становления мировой гидрогеологии по Н.Н.

Веригину и др. [18] до обобщающих работ В.И. Вернадского. Более подробно историю становления современной гидрогеологии любознательный читатель найдет в специальных изданиях и учебниках [2,4,12,17]. В последние годы наиболее полно содержание современной гидрогеологии изложено в б томном издании Основ гидрогеологии, изданном под ред. Е.В. Пиннекера в 1980-1984 гг.

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ 1. Расскажите о теоретическом и практическом значении гид рогеологии.

2. Что вы знаете об испо льзо вании по дземных во д из Ваших лич ных наб лю дений?

3. В чем заключаю тся особые сво йства во ды? Почему лед легче жидкой во ды?

4. Насколько сопоставим объем подземных вод с объемом океана?

5. В чем различие понятий "по дземные во ды" и "подземная гидро сфера"?.

б.. Что вызвало зарождение науки гидрогеоло гии?

7. В чем необычно сть и прич ины физических свойств во ды?

8. Что такое во доро дная связь?

9. Как правильно писать состав мо леку лы во ды?

10. Чем о тличается лед о т жидкой во ды?

И. В ч ем специфика и необыч ность тяжелой во ды?

12. Почему не промерзаю т до дна реки Сибири?

13. Назовите шесть фамилий ученых, внесших наибо лее крупный вклад в развитие гидрогеоло гии.

14. Кого из ученых можно назвать осно вателями гидрогео логии?

15. Чем о тличаю тся представления о происхождении по дземных во д древних лю дей о т со временных?

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Блох A.M. Структура воды и геологические процессы. - Л.: "Не дра", 1969.

2. Вернад ский В.И. История минералов земной коры//Избранные сочинения. Т. IV. Кн.2. - М.: Изд-во А Н СССР, I960.

3. Гфер Г. По дземные во ды и источники. Пер. с нем. - Л. - М.:

Госиздат, 1925.

4. Гордеев Д.И. Основные этапы истории отечественной гидрогеоло гии/ Тр. Лабор. гидро гео л. проб л. Т.7. - М.: Изд-во А Н СССР, 1954.

5. Де У ист Р. Гидрогео логия с основами гидрологии суши. Пер. с англ. - М : Мир, 1969.

6. Зекцер И.С, Я зви н Л.С, Б ор евский Б.В. По дзем ные во ды на службе горо дов/ Прир о да. - 1993. - № б. - С. 3-9.

7. Кейлъга к К. По дзем ные во ды. Пер. с нем. - М - Л • ОНТИ 1935.

8. Кне В. Учение о гру нтовых во дах. Пер. с нем. - М. - Л/ Го с стройиздат, 1932.

9. Коулсо н Ч. Валентность. - М : М ир, 1965.

Мейнцер О.

10.

Учение о по дземных во дах. Пер. с англ - Л - М • ОНТИ, 1935. " 11.Овчинников A.M. Общая гидрогеология. - М.: Госгеолтехиздат, 12. Основы гидрогео логии. Об щая гидрогео логия/ Ё.В.Пиннекер, Б.И.Писарский, С.Л.Шварцев и др. - Но восиб ирск: Нау ка, 1980.

13. Робинсон Р., С токе Р. Растворы э лектролитов. - М.: ИЛ, 1963.

14. Саваренский Ф.П. Гидро гео ло гия. Изд. 2-е - М - Л • ОНТИ 1935. ' 15. Самойлов О.Я. Структура водных растворов электролитов и гид ратация ионо в. - М.: Изд. А Н СССР, 1957.

16. Федосеев И.А., Плахо тник А.Ф. Чело век и гидро сфера. Крат кая история взаимодействия. - М. Наука, 1985.

17. Херд Д. Введение в химию гидр итов. - М.: Изд.ИЛ, 1955.

18. Хронология нововведений в гидрогеологии (научные идеи, собы тия, факты)/ Во дн. р есур. - 1990. - № 4. - С. 126-136.

19. Чирвинский П.Н. Учебник гидрогеологии. - Ростов-на-ДонууГо сиздат, 1922. '.

20. Шварцев С.Л. К проблеме самоорганизации геологической сис темы во да -поро да/Г ео л. и гео ф. - 1995. - № 4. - С.22-29.

21. Эйзенберг Д., Ка уцма н В. Стру ктур а и сво йства во ды. Пер. с англ. - Л.: Гидрометеоиздат, 1975.

22. Castany G. Traite prat ique des eau x souterraines. - Paris, 1963.

23. Fourma rier P. Hydrogeo logie. - Paris: Masson, 1958.

24. Mead D. Hyd ro logy, the fundamental basis o f hyd rau lic eng ineer ing. 2 ed., N.Y., Me Gro w - Hill, 1950.

25. Pinneker E.V., Pissarsk ii B.I., Sh vart sev S.L. et.al. Gen eral Hy drogeology. - Camb ridge: University Press, 1983.

26. Pinneker E.V., Pissarskii B.I., Schwa rtsew S.L. et.al. Das Wass er in d er Litho- und Asthenosphare. Wechselwirkung und Gesch icht e Berlin, Stuttgart : Gebruder Bo rntraeger, 1992.

27. Pri m E. Handb uch der Hy dro log ie. - Berlin, Sp ringer - Verl., 28. Richter W., Lillich W. Ab riss der Hydrageo log ie. - Stuttgart, E Schweizerbartsche Verl., 1975.

29. Schoeller H. Les eau x souterraines. - Paris: M ason, 1962.

30. S li ch ter C.S. Th e mo t io n o f g roun d W at er// U.S.Geo l Su rv Water - Supp l. Paper. - 1902. - N 67. - P. 106.

31. Thurner A. Hydrog io log ie. - W ien - N.Y.: Sp ringer Verl, 1967.

32. Todd D.K. Groun d W ater Hyd ro log ie - N.Y. - Lo ndon, 1959, 334 p.

Глава ВОДА В НЕДРАХ ЗЕМЛИ 2.1. ОБШИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВОДЫ В ЛИТОСФЕРЕ «Вода охватывает, проникает насквозь — как пленчатая губка и как пар — всю земную кору... Неудивительно поэтому, что всегда и везде, где бы мы ни стали проникать в земную кору, — ни стали бурить, — мы встретим в конце концов воду в капельножидких ее массах» — так писал великий ученый В.И. Вернадский о распространении воды в земной коре [1, с. 620]. В самом деле в земной коре нельзя найти горные породы, которые не заключали бы в себе воду. Тончайшая сеть волосных пустот пронизывает каждый минерал, каждую песчинку, создавая тем самым благоприятные условия для накопления подземных вод.

Вода находится во всех геосферах земной коры, каждая из которых характеризуется определенным равновесием молекул и атомов, стремящихся принять то или иное устойчивое динамическое состояние. В различных оболочках встречаются и различные агрегатные состояния воды, обусловленные соответствующими температурами и давлениями. В условиях земной коры температура изменяется от -93° С (минимальная температура, зафиксированная в Антарктиде) до, примерно, 1200° С (температура магматического расплава), а давление — от сотых долей (в верхних слоях тропосферы) до 3000 МПа (на нижней границе земной коры). Поэтому вода в земной коре встречается в различных агрегатных состояниях: жидком, газообразном, твердом, физически и/или химически связанном с горными породами, в форме диссоциированных молекул. Рассмотрим соотношение основных фаз в земной коре.

Твердая фаза в земной коре широко распространена в районах криолитозоны (многолетней мерзлоты), характеризующейся отрицательными среднегодовыми температурами. В России эта зона особенно широко развита на севере Восточной Сибири (севернее р. Ангары). Здесь ее мощность местами достигает 1000 м, а температура — минус 15° С. При этой температуре все пресные и частично соленые воды образуют лед, заполняющий пустоты и поры горных пород. И только высокоминерализованные рассолы, температура замерзания которых значительно ниже 0° С могут сохраняться жидкими даже в толще мерзлых пород.

Жидкая вода наиболее широко распространена в верхней части земной коры. Она охватывает практически весь разрез континентальной коры до глубины критической температуры воды;

за исключением мерзлых зон и участков нефтяных и газовых ме сторождений.

Ниже приводится зависимость температуры кипения воды от давления.

Давление, 0,1 0,2 0,4 0,8 1 2 5 10 15 21, МПа Температура 100 120 143 170 179 211 246 293 338 кипения,° С Как известно, температура кипения воды зависит от давления, с увеличением которого она резко возрастает и приближается к критической точке, равной 374° С (рис. 2.1). А так как природная вода представляет собой сложный химический раствор, ее критическая точка кипения фактически несколько выше и может достигать 400 и даже 450° С. Благодаря тому, что давление в земной коре возрастает значительно быстрее, чем соответствующая температура кипения воды, последняя может находиться в жидком состоянии до критической точки, т.е. до 374-450° С.

Если примем среднюю геотермическую ступень* равной 30 м, то соответственно получим, что критическая температура воды должна наблюдаться на глубине 12000 м. Величина геотермической ступени в разбуренных районах России до глубины 1000 м, по данным Д. И.

Дьяконова, изменяется от 20 до 100 м, следовательно, и глубина нижней границы жидкой воды должна изменяться от 8 до 40 км. Большинство ученых в настоящее время считают, что нижняя граница жидкой воды находится на глубине примерно 16-20 км и только в районах активной вулканической деятельности эти глубины могут уменьшаться вплоть до нескольких сот метров и даже меньше. Американский ученый Ф. Г. Смит, например, считает, что жидкая вода в земной коре может находиться до глубины 30 км. Ниже распространен пар, находящийся под большим давлением и Рис. 2.1. Диаграмма состояний воды в координатах давления и температуры. По К. Краускоп фу:

1-3 - ф аз ы: 1 - ль да, 2 - жидкой в оды, 3 -пара;

0 — тройная точка (точка одновременного существов ания пара, жидкой в оды и льда) *Расстояние по вертикали в метрах, на протяжении которого температура изменяется на 1°С.

образующий новое надкритическое состояние воды — водный флюид, свойства которого до сих пор изучены недостаточно.

СМ. Григорьев, Ф.А. Макаренко и некоторые другие исследователи считают, что нижняя граница жидкой воды может залегать еще глубже и достигать 70 км, т.е. охватывать всю мощность земной коры. Более того, по их мнению, граница земной коры (граница Мохоровичича) и есть не что иное, как граница фазовых переходов воды и связанных с этим грандиозных физико-химических процессов [3].

В магме вода находится в растворенном и диссоциированном состоянии. По современным воззрениям, магма содержит 5-7% воды, из которых большая часть диссоциирована не только на ионы Н + и ОН-, но также образует О2-, являющийся индикатором щелочности расплава. При остывании магмы большая часть воды выделяется в виде пара и по зонам разломов поднимается к поверхности.

С глубиной изменяются не только фазовое состояние и структура воды, но и ее количество. При погружении пород на большую глубину подземные воды испытывает все большую тенденцию к восходящему движению. При этом с глубиной роль связанных вод в общем объеме гидросферы увеличивается, а общее количество воды уменьшается (табл. 2.1).

Та б ли ца 2. И з м е не н ие о б ъ е м н о г о с о д е р жа н и я в о д ы в л и т ос ф е р е, % [ 5 ] Слой литосферы Зона литосферы Содержание воды Осадочный Диагенеза 80- Осадочный Катагенеза 30- Гранитный Метагенеза 4- Базальтовый -"- 1,0-0, До 0, Эклогитовый -" Общая схема распределения воды в литосфере показана на рис. 2.2.

Отметим, что степень структурированности воды в глубоких слоях литосферы резко меняется. По данным В.А. Ильина [8], в гранитном слое, где Т и Р равны соответственно 200-500° С и 1000-3500 МПа, вода находится преимущественно в молекулярном состоянии. Это зона жидких структурированных вод. Глубина ее распространения в регионах древних платформ достигает 80 км. В базальтовом слое, где Т возрастает до 600° С, а давление до 7500 МПа, вода диссоциирует на Н + и ОН-, которые входят в решетку минералов. Это зона уплотненного флюида, где водородные связи в основном разорваны, но образуются, вероятно, нестойкие димерные ассо-циаты воды. Подошва этой зоны располагается на глубинах около 160 км. В эклогитовом слое Т увеличивается до 800-1000° С, а Р Рис. 2.2.

Принципиальная схема фазовой зональности подземной гидро сферы [10]:

1 — кр ио ли то зо на ;

2 — зона насыщения;

3 — во да в надкр ит ическо м со стоянии;

4 — ве рхн яя ма нт ия;

5 -6 — гр аницы осадо чных и гр анит ных поро д Конрада (от деляет гран итн ый с лой от ба за льтового);

7 — по верхност ь Мохо-ровичича (Мохо) до 7500-11000 МПа. В этих условиях возможно существование+ только мономерной воды, которая в той или иной мере диссоциирует на Н и ОН-.

Глубина расположения такой воды достигает 270 км.

Практически распределение воды в земной коре в настоящее время изучено до глубины 5-12 км на платформах и 2-3 км в горных складчатых сооружениях. В пределах изученной части земной коры с точки зрения распределения подземных вод выделяют два этажа: 1) нижний этаж, представляющий собой основание платформ и сложенный плотными метаморфическими породами, гнейсами, гранитами, метаморфическими сланцами, практически является водоупоромг Подземные воды в породах этого типа развиты в ограниченном количестве по зонам тектонических нарушений и в коре выветривания. Последний случай наблюдается когда этот этаж выходит на поверхность в виде щитов (Балтийский, Алданский и др.);

2) верхний этаж, представляющий собой чехол платформ и складчатые сооружения. Для него характерно наличие крупных скоплений подземных вод в виде бассейнов различного типа, главным образом в породах осадочного происхождения, реже в пористых эффузивах. Именно эти бассейны подземных вод представляют наибольший практический интерес.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 12 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.