- Гидрогеология как наука
Тема: Гидрогеология как наука. Вода в природе.
1. Гидрогеология. Этапы развития гидрогеологии.
2. Вода в природе. Круговорот воды в природе.
3. Виды воды в минералах и горных породах.
4. Понятие о скважности и пористости.
1. Гидрогеология. Этапы развития гидрогеологии.
Вспомним определение науки гидрогеология. Гидрогеология - наука о подземных водах, изучающая их происхождение, условия залегания и распространения, законы движения, взаимодействие с водовмещающими породами, формирование химсостава и др.
Рекомендуемые материалы
Рассмотрим кратко историю развития этой науки.
1.1 Этапы развития гидрогеологии
В истории изучения подземных вод в СССР выделяют 2 периода:
1) дореволюционный;
2) послереволюционный.
В дореволюционном периоде можно выделить 3 этапа изучения подземных вод:
1. накопление опыта использования подземных вод (X - XVII в-в.)
2. первых научных обобщенных сведений о подземных водах (XVII - середина XIX века)
3. становление гидрогеологии как науки (вторая половина XIX века и начало XX века)
В 1914 г. на инженерном факультете Московского сельскохозяйственного института (ныне Московский гидромелиоративный институт) была организована первая в России кафедра гидрогеологии.
Период послереволюционный можно разделить на 2 этапа:
1. довоенный (1917- 1941 гг.)
2. послевоенный
Для подготовки инженеров гидрогеологов в 1920 году в Московской горной академии была учреждена гидрогеологическая специальность: несколько позже она была введена и в других институтах и университетах. В институтах стали преподавать наиболее видные ученые гидрогеологи Ф.П. Саваренский, Н.Ф. Погребов, А.Н. Семихатов, B.C. Ильин и др.
К началу первой пятилетки (1928г.), а также в течении последующих пятилеток гидрогеологические исследования проводились в Донбассе, в Восточном Закавказье, в Средней Азии, на Севере Украины, в Казахстане, Туркмении и во многих других областях страны.
Для дальнейшего развития гидрогеологии огромное значение имел Первый всесоюзный гидрогеологический съезд, проходивший в 1931г. в Ленинграде.
В 30-х годах впервые были составлены сводные карты (гидрогеологическая, минеральных вод, гидрогеологического районирования), которые имели большое значение для планирования дальнейших гидрогеологических исследований. В то же время под редакцией Н.И. Толстихина начали издаваться тома «Гидрогеология СССР». До Велико Отечественной войны было издано 12 выпусков этой многотомной работы.
Послевоенный этап характеризуется накоплением материалов по глубоко залегающим водам.
Для более глубокого научного анализа и широко регионального обобщения материалов по подземным водам было принято решение подготовить к опубликованию 45 томов «Гидрогеология СССР», и кроме того, составить 5 сводных томов.
2. Вода в природе. Круговорот воды в природе.
На земном шаре вода находится в атмосфере, на поверхности земли и в земной коре. В атмосфере вода находится в нижнем ее слое - тропосфере - в различных состояниях:
1. парообразном;
2. капельножидком;
3. твердом.
Поверхностная вода находится в жидком и твердом состоянии. В земной коре вода встречается в парообразном, жидком, твердом, а также в виде гигроскопической и пленочной воды. В совокупности поверхностные и подземные воды составляют водную оболочку — гидросферу.
Подземная гидросфера сверху ограничена поверхностью земли, нижняя ее граница достоверно не изучена.
Различают большой, внутренний и малый круговороты. При большом круговороте, влага испаряющаяся из поверхности океанов, переносится в форме водяных паров воздушными течениями на сушу, выпадает здесь на поверхность в виде осадков, а затем возвращается в моря и океаны поверхностным и подземным стоком.
При малом круговороте влага, испаряющаяся из поверхностей океанов и морей. Здесь же выпадает в виде осадков.
Процесс круговорота в природе в количественном выражении характеризуется водным балансом, уравнение которого доля замкнутого речного бассейна имеет вид для многолетнего периода:
X = y+Z-W (по Великанову),
где х - осадки на площадь водосбора, мм
у - речной сток, мм
Z - испарение за вычетом конденсации, мм
W - среднемноголетнее питание глубоких водоносных горизонтов за счет осадков или поступления подземных вод на поверхность в пределах речного бассейна.
Внутренний круговорот обеспечивается той частью воды, которая испаряется в пределах материков - с водной поверхности рек и озер, с суши и растительности и там же выпадает в виде осадков.
3. Виды воды в минералах и горных породах.
Одна из наиболее ранних классификаций видов воды в гонных породах была предложена в 1936 году А.Ф. Лебедевым. В последующие годы предложен ряд других классификаций. Исходя из классификации Лебедева большинство ученых выделяют следующие виды воды:
1. Парообразная вода
Находится в форме водяного пара в воздухе, присутствующем в порах и трещинах горных пород и в почве, передвигается вместе с токами воздуха. При определенных условиях путем конденсации может переходить в жидкую форму.
Парообразная вода - единственный вид, способный передвигаться в порах при незначительной их влажности.
2. Связанная вода
Присутствует главным образом в глинистых породах, удерживается на поверхности частиц силами, значительно превышающими силу тяжести.
Различают прочно- и рыхлосвязанную воду.
а) прочносвязанная вода (гидроскапическая) она находится в виде молекул в поглощенном состоянии, удерживается на поверхности частиц молекулярными и электростатическими силами. Она имеет высокую плотность, вязкость и упругость, свойственна тонкодисперсным породам, не способна растворять соли, не доступна для растений.
б) рыхлосвязанная (пленочная) располагается над прочносвязанной водой, удерживается молекулярными силами, более подвижна, плотность близка к плотности свободной воды, способна передвигаться от частиц к частице под влиянием сорбционных сил, способность растворять соли пониженная.
Содержание пленочной воды может достигать: в песках 1...7%, супесях - 9-13%, суглинках - 15-23%, глинах - 35-40%.
3. Капиллярная вода
Находится в капиллярных порах горных пород, где удерживается и передвигается под влиянием капиллярных (менисковых) сил, действующих на границе воды и воздуха, находящихся в порах. Она подразделяется на 3 вида:
а) собственно капиллярная вода находится в порах в виде влаги капиллярной поймы над УГВ. В зависимости от гранулометрического состава зависит мощность капиллярной поймы. Она изменяется от нуля в галечнике до 4-5 м в глинистых породах. Собственно капиллярная вода доступна для растений.
б) подвешенная капиллярная вода располагается преимущественно в верхнем горизонте породы или в почве и не находится в непосредственной связи с УГВ. При повышении влажности породы сверх наименьшей влагоемкости вода стекает в нижележащие слои. Эта вода доступна для растений.
в) вода углов пор удерживается капиллярными силами в порах песчаных и глинистых пород в местах соприкосновения их частиц. Эта вода растениями не используется, при повышении влажности может переходить в подвешенную или в собственно капиллярную.
4. Гравитационная вода
Подчиняется силе тяжести. Движение воды происходит под влиянием этой силы и передает гидростатический напор. Она подразделяется на 2 вида:
а) просачивающаяся - свободная гравитационная вода, находящаяся в состоянии нисходящего движения в виде отдельных струек в зоне аэрации. Движение воды происходит под влиянием силы тяжести.
б) влага водоносных горизонтов, которая насыщает водоносные слои до ПВ. Влага удерживается в следствие водонепроницаемости водоупорного слоя, (дальнейшее изложение относится к теме «Гравитационная вода»).
5. Кристаллизационная вода
Входит в состав кристаллической решетки минерала, например гипса (CaS04 2Н2 О), сохраняет молекулярную форму.
6. Вода в твердом состоянии в форме льда
Кроме вышеуказанных шести видов выделяют химически связанную воду, которая участвует в строении кристаллической решетки минералов в форме ионов Н +, ОН", т.е. не сохраняет молекулярной формы.
4. Понятие о скважности и пористости.
Одним из важнейших гидрогеологических показателей горных пород служит их пористость. В песчаных породах выделяют паровую пористость, а в крепких - трещинную.
Подземные воды заполняют поры и трещины в горных породах. Объем всех пустот в горной породе называют скважностью. Естественно, чем больше скважность, тем больше воды может вместить порода.
Для движения подземных вод в горных породах большое значение имеют размеры пустот. В мелких порах и трещинах площадь соприкосновения воды со стенками пустот больше. Эти стенки оказывают значительное сопротивление движению воды, поэтому ее движение в мелких песках даже при значительных напорах затруднено.
Различают скважность горных пород: капиллярную (пористость) и некапиллярную.
К капиллярной скважности относят мелкие пустоты, где вода передвигается главным образом под действием сил поверхностного натяжения и электрических сил.
К некапиллярной скважности относят крупные, лишенные капиллярных свойств пустоты, в которых вода передвигается только под действием силы тяжести и разности напора.
Мелкие пустоты в горных породах называют пористостью.
Различают 3 вида пористости:
1. общую
2. открытую
3. динамическую
Общая пористость количественно определяется_отношением объемавсех мелких пустот (включая и несообщающиеся между собой) ко всему объему образца. Выражается в долях единицы или в процентах.
или 
где Vn – объем пор в образце горных пород
V – объем образца
Общая пористость характеризуется коэффициентом пористости е.
Коэффициент пористости е выражается отношением объема всех в породе пор к объему твердой части породы (скелета) Vc, выражается в долях единицы.
Этот коэффициент широко используется особенно при исследовании
глинистых грунтов. Этот связано с тем, что глинистые грунты набухают при увлажнении. Поэтому пористость глин предпочтительнее выражать через е.
Коэффициент пористости можно выразить следующим образом
, разделив числитель и знаменатель на Vc получим
, откуда 
Величина общей пористости всегда меньше 1 (100%), а величина е может быть равна 1 или быть больше 1. У пластичных глин е колеблется от 0,4 до 16.
Пористость зависит от характера сложения частиц (зерен).
К некапиллярной скважности относятся крупные поры в грубообломочных породах, трещины, каналы, пещеры и другие крупные пустоты. Трещины и поры могут сообщатся между собой или быть изорваны.
Открытая пористость характеризуется отношением объема сообщающихся между собой открытых пор ко всему объему образца.
Для зернистых несцементированных пород открытая пористость по величине близка к общей.
Динамическая пористость выражается отношением ко всему объему образца только той части объема пор, через которую может передвигаться жидкость (вода).
Исследования показали, что не по всему объему открытых пор происходит движение воды. Часть открытых пор (особенно на стыке частиц) не редко бывает занята тонкой пленкой воды, которая прочно-прочно удерживается капиллярными и молекулярными силами и не участвует в движении.
Динамическая пористость в отличие от открытой не учитывает объем пор, занятый капиллярно-связанной водой. Обычно по величине динамическая пористость меньше открытой.
Таким образом, принципиальная разница между охарактеризованными видами пористости заключается (количественно) в том, что в сцементированных породах общая пористость больше открытой, а открытая - больше динамической.
Рекомендация для Вас - 12. Математическая модель изменения уровня жидкости.
Контрольные вопросы:
1. Что изучает наука гидрогеология?
2. Как осуществляется круговорот воды в природе?
3. Назовите виды воды, встречающейся в минералах и горных породах.
4. Что называется пористостью? Назовите ее виды? Как определяется пористость?
5. Что понимаю под скважностью? Назовите и охарактеризуйте ее виды.
