Краткий очерк истории развития гидрогеологии

Имеющиеся неполные данные свидетельствуют о том, что уже в 3000–2000 гг. до н.э. на Ближнем Востоке, в Средней Азии, Китае и других странах, прежде всего в засушливых районах, подземные воды интенсивно использовались для питьевого и хозяйственного водоснабжения, в частности, путем сооружения достаточно глубоких и сложных водосборных галерей, эксплуатировавших подземные воды конусов выноса и аллювиальных отложений. Р. Де Уист приводит сведения о том, что уже в древнем Китае существовала техника бурения и горных работ, которая позволяла сооружать водозаборные колодцы глубиной до 1200–1500 м, откуда получали подземные рассолы [1, 2, 4].

Первая известная работа, в которой рассматривается роль воды на планете, принадлежит философу Фалесу Милетскому (около VI в. До н.э.). Подземная вода образуется за счет морской воды, которая под действием ветра нагнетается в земные недра и в результате давления горных пород выходит на поверхность земли, образуя родники.

Древнегреческий философ Платон (427–347 гг. до н.э.) также считал, что происхождение подземных вод связано с фильтрацией морской воды в берега. Однако Р. Де Уист со ссылкой на П.Д. Крайнана приводит сведения о том, что Платон в своем философском труде достаточно точно описал круговорот воды в природе.

Аристотель (384–322 гг. до н.э.) считал, что подземная вода формируется главным образом за счет сгущения воздуха (водяного пара), поступающего из недр земли. В то же время, по его мнению, какая-то часть подземной воды может формироваться за счет просачивания дождевой воды через поверхность земли.

Философ Древнего Рима Марк Витрувий Поллио (I в. До н.э.) дал наиболее правильное (с современной точки зрения) объяснение процесса формирование подземных вод за счет просачивания атмосферных осадков, выпадающих на поверхность земли.

В XVI-XVII вв. ряд европейских ученых-естествоиспытателей (Г. Агрикола (Бауэр) (1494–1555), Б. Палисси (1510–1590), Р. Декарт (1596–1650), И. Кеплер (1571–1630), А. Кирхер (1601–1680) на основе идей древних философов и накапливающихся фактических данных в различной постановке рассматривают вопросы происхождения подземных вод и их движение в земной коре [1,3, 5 ].

Значительный вклад в разработку важнейших направлений гидрогеологической науки внес великий русский ученый М.В. Ломоносов. В своих работах он связывал вопрос происхождения подземных вод с количеством и просачиванием атмосферных осадков. Ломоносов М. В. рассматривал различные проницаемости горных пород по отношению к воде, рассуждал о процессах взаимодействия подземных вод с горными породами. Русский ученый-энциклопедист достаточно полно представлял условия формирования подземных вод, их взаимодействие с поверхностными и атмосферными водами, роль процессов взаимодействия подземных вод с минеральным веществом горной породы как с точки зрения формирования состава воды, так и переноса минеральных веществ подземными водами и др.

В XIX в. Продолжались научные споры о происхождении подземных вод, главным образом о роли процессов инфильтрационного питания и конденсации водяного пара (Л. Эли де Бомон, О. Фольгер, Е. Вольни и др.). В конце XIX в. вышли работы А. Добре (1887) и И. Газа (1885), которые могут рассматриваться в качестве первых учебников гидрогеологии, хотя сам термин «гидрогеология» в них не употребляется.

Первое математическое описание движения подземных вод (закон фильтрации) было дано французским инженером-гидравликом А. Дарси в 1856 г. на основании результатов экспериментального изучения фильтрации воды в лабораторных условиях.

Обоснование этого закона положило начало исследованиям в области теории движения подземных вод и фильтрационных расчетов. Дальнейшая разработка теории гидрогеологических расчетов осуществлялась Ж. Дюпюи (1857), А. Тимом (1887), Ч. Слихтером (1899) и уже в XX в. Ч. Тейсом, М. Маскетом и в работах русских ученых Н.Е. Жуковского, А.А. Краснопольского, Н.Н. Павловского и др.

Большой вклад в развитие гидрогеологии внес русский ученый С.Н. Никитин (1851–1909). В своих работах он рассматривал методику региональных исследований и гидрогеологического районирования. Также С.Н. Никитин обобщил обширные сведения по грунтовым и артезианским водам европейской части России, выделил ряд артезианских бассейнов этой территории (Всеволожский, 2007).

Исключительно важное значение для развития общих представлений о взаимодействии подземных вод с минеральным скелетом горных пород имели работы русского ученого-почвоведа А.Ф. Лебедева (1882–1936), который впервые установил закономерности перемещения влаги в ненасыщенной зоне, охарактеризовал роль процессов инфильтрации и конденсации в формировании подземных вод, а также разработал первую классификацию видов воды в горных породах.

Значительный интерес представляли результаты исследований кавказских минеральных вод, выполненных А.П. Герасимовым, А.Н. Огильви, Н.Н. Славяновым, первые сведения о подземных водах районов распространения вечной мерзлоты, изложенные в работе А.В. Львова (1916).

В первые годы советской власти начинают развиваться практически все основные направления гидрогеологической науки. В 1931 г. состоялся Всесоюзный гидрогеологический съезд, на котором были представлены работы по общим вопросам гидрогеологии (О.К. Ланге, А.Ф. Лебедев, Ф.П. Саваренский и др.); зональности грунтовых вод и принципам гидрогеологического районирования (П.И. Васильевский, В.С. Ильин, А.Н. Семихатов, Р.Н. Каменский, Н.И. Толстихин и др.); региональной гидрогеологии (К.И. Маков, Н.А Плотников, Н.Ф. Погребов, Н.С. Токарев).

Исключительно важное значение для развития ряда гидрогеологических идей имели работы академика В.И. Вернадского. Им был обоснован важный тезис о единстве природных вод Земли, рассмотрен ряд важных вопросов происхождения подземных вод и геологического круговорота воды. В.И. Вернадский охарактеризовал роль воды в геологических и геохимических процессах [1, 3, 4, 5].

Широкое осуществление глубокого поискового и разведочного бурения на нефть и газ определило необходимость развития гидрогеологических исследований, связанных с изучением глубоких водоносных горизонтов, прежде всего платформенных структур. Крупный вклад в развитие этого направления внесли советские ученые Г.В. Богомолов, М.А. Гатальский, Н.К. Игнатович, А.А. Карцев, В.А. Кротова, Б.Ф. Маврицкий, Е.В. Пиннекер, А.И. Силин-Бекчурин, С.Н. Смирнов, В.А. Сулин, А.Е. Ходьков, С.А. Шагаянц.

Зона аэрации

Строение подземной части гидросферы, количество воды, содержащееся в горных породах, и ее фазовое состояние в более широком смысле – распределение и движение различной воды определяются термодинамическими условиями разреза земной коры, строением и историей геологического развития ее основных структурных элементов, составом и свойствами (типом) горных пород и в верхней части разреза в значительной мере рельефом и гидрографией современной поверхности, а также климатическими условиями конкретных территорий [5, 6].

Обобщенный гидрогеологический разрез земной коры, характеризующий условия залегания подземных вод и принципиальную схему их движения, приведен на рисунке 1.

Рис. 1. Принципиальный гидрогеологический разрез земной коры:

1 – осадочные породы земной коры; 2 – гранитный и базальтовый слой земной коры; 3 – верхняя мантия; 4 – зоны глубоких тектонических разломов; 5 – зона аэрации (вне масштаба); 6 – криолитозона; 7 – зона полного насыщения; 8 – зона подземных вод в надкритическом состоянии; 9 – нижняя граница зоны аэрации; 10 – подошва осадочных пород; 11 – нижняя граница зоны полного насыщения; 12 – граница Мохоровичича; 13 – направления движения «местных» потоков подземных вод; 14 – региональных потоков; 15 – глубинных субвертикальных потоков; 16 – возможное поступление ювенильных растворов; 17 – инфильтрационное питание; 18 – испарение грунтовых вод; 19 – захоронение морской воды с осадками и отжатие поровых вод

В соответствии с существующими представлениями (О. Мейнцер, Е.В. Пиннекер, Ф.П. Саваренский, А.М. Свешников и др.) в гидрогеологическом разрезе земной коры сверху вниз от поверхности земли могут быть выделены: зона аэрации, криолитозона, зона насыщения и зона подземных вод в надкритическом состоянии [1,6].

Понятие «зоны аэрации» было введено американским гидрогеологом О. Мейнцером (1933г.) и представляет собой верхнюю не полностью насыщенную (ненасыщенную) водой часть разреза горных пород, мощность которой изменяется от первых сантиметров (метров) на равнинных участках территории до 200-250 м и более на интенсивно расчлененных междуречных пространствах горных районов. Верхней границей зоны аэрации является поверхность земли, нижней – уровень подземных вод первого водоносного горизонта.

Рис. 2 Схема залегания типов подземных вод зоны аэрации:

1 – породы зоны аэрации, 2 – грунтового водоносного горизонта,

3 – слабопроницаемые породы, 4 – почвенный слой,

5 – уровень грунтовых вод и капиллярная кайма, 6 – верховодка

По М.П. Толстому определение зоны аэрации можно сформулировать так – это поверхностный пояс в разрезе земной коры, находящий на стыке атмо-, гидро- и литосфер, лежащий выше постоянного уровня подземных вод.

В пределах акватории Мирового океана, а на континентах и островах под руслами рек и внутренних водоемов в том случае, если подземные воды первого водоносного горизонта имеют непосредственную гидравлическаю связь с поверхностными водами, зона аэрации (неполного насыщения) отсутствует [2, 4, 6].

Криолитозона

Территория, на которой распространены многолетнемерзлые породы, называется криолитозона ( от греч. «криос» − холод, «литос» − камень, порода). Криолитозона состоит из мерзлых, морозных и охлажденных пород.

1) мерзлые породы содержат в своем составе лед,

2) морозные − породы с t < 0 ºС, в которых отсутствуют лед и вода ( это чаще магматические и метаморфические породы и их разновидности),

3) охлажденные породы имеют t ниже 0 ºС и насыщены солеными водами.

Данная зонавыделяется как самостоятельный элемент подземной гидросферы в области распространения многолетнемерзлых пород (высокие широты Северного и Южного полушария, высокогорные районы). В зависимости от строения гидрогеологического разреза земной коры она обычно охватывает часть зоны аэрации и верхнюю часть зоны полного насыщения [5, 6, 7].

Рис. 3 Схема залегания различных по отношению к многолетнемерзлым породам типов подземных вод:

А – надмерзлотные водысезонно-талого слоя; Б – воды сквозного дождевально-радиационного талика; В – надмерзлотные воды подозерного несквозного талика; Г – воды сквозного подруслового талика; Е – межмерзлотные воды; Ж – подмерзлотные воды неконтактирующие безнапорные; З – подмерзлотные воды неконтактирующие напорные; И – подмерзлотные воды контактирующие напорные; К – надмерзлотные воды несквозного дождевально-радиационного талика; 1 – изверженные трещиноватые породы; 2 – щебень и дресва; 3 – суглинки; 4 – пески, галечники; 5 – многолетнемерзлые породы и их граница; 6 – обводненность пород состояния (а), периодическая (б); 7 – направление движения подземных вод; 8 – подошва сезонно-талого слоя (б) и сезонно-мерзлого слоя (а); 9 – скважины, стрелкой показана глубина появления и установившийся уровень подземных вод

Мощность криолитозоны в зависимости от климатических условий местности (главным образом среднегодовые температуры воздуха), геологического строения и геотемпературных условий верхней части разреза земной коры изменяется от первых метров до 1000 – 1500 м и более (Романовский, 1983; Ершов, 2002; и др.).

В условиях криолитозоны основная масса подземных вод находится в твердом состоянии (лед, газовые гидраты), а также в виде физически связанной воды, промерзание которой происходит при температурах ниже 0°С.

Свободная гравитационная вода в пределах криолитозоны может быть связана только с участками распространения горных пород, находящихся в талом состоянии, или в тех случаях, когда вода в связи с повышенной минерализацией не замерзает при отрицательных температурах [1, 3, 5].