Лекция 1. Современное содержание, цели и задачи гидрогеологии как научной и учебной дисциплины

Современное содержание, цели и задачи гидрогеологии как научной и учебной дисциплины. История развития гидрогеологии, роль отечественных исследователей в развитии гидрогеологии. Значение подземных вод в народном хозяйстве.

1.1. Гидрогеология – наука геологического профиля

Гидрогеология изучает подземные воды, находящиеся в земной коре, их происхождение, состав и свойства, залегание, распространение и взаимодействие с горными породами, атмосферой, наземной гидросферой, биосферой и веществом мантии Земли. Она изучает условия образования месторождений подземных вод, их роль в геологических процессах и формировании месторождений полезных ископаемых (рудных, нефтяных, газовых), разрабатывает методы поисков и разведки месторождений подземных вод различных типов, оценки их ресурсов, восполнения запасов, управления режимом эксплуатации залежей и решает разнообразные задачи по инженерному обеспечению строительства, мелиоративного освоения земельных территорий и отработки месторождений полезных ископаемых.

Исходя из таких целей, в гидрогеологии выделяются две части – фундаментальная и прикладная, причем фундаментальная гидрогеология подразделяется на теоретическую и региональную. Теоретическая часть гидрогеологии направлена на использование точных наук в гидрогеологических исследованиях, и ее подразделения соответствуют основным физико-химическим процессам, протекающим в подземных водах. В этой части выделяются гидродинамика, гидрохимия и геотермия, занимающиеся изучением движения, химического состава и теплового поля подземных вод. В региональной гидрогеологии рассматриваются, главным образом, пространственные закономерности формирования подземных вод, опирающиеся, главным образом, на геологические построения.

Вместе с тем для региональных исследований характерно все более широкое использование количественных методов теоретической гидрогеологии. В этом направлении наиболее интенсивно развивается региональная гидрохимия, гидродинамика, геотермия.

Построение региональной гидрогеологии целесообразно начать с построения геолого-структурных основ формирования подземных вод. Особый раздел региональной гидрогеологии представляют гидрогеологическая съемка и картирование. В этом разделе дается обоснование путей регионального изучения подземных вод и наглядного представления зональностей их формирования.

Прикладная гидрогеология имеет конкретную хозяйственную направленность, по характеру которой производится разделение этого направления на отдельные дисциплины. Наиболее крупную дисциплину этого направления представляют собой поиски и разведка подземных вод для целей водоснабжения. Кроме того, здесь же рассматриваются работы по поискам и разведке лечебных и термальных вод. Вопросы управления подземными водами в хозяйственных целях рассматриваются в горной гидрогеологии при разведке месторождений полезных ископаемых, в мелиоративной гидрогеологии, в задачу которой входит гидрогеологическое обоснование сельскохозяйственных мелиораций, в инженерной гидрогеологии, занимающейся вопросами гидрогеологического обоснования строительства и эксплуатации инженерных сооружений. В прикладной гидрогеологии значительное место должно занимать решение вопросов охраны подземных вод.

1.2. История развития гидрогеологии, роль отечественных исследователей в развитии гидрогеологии

Первые сведения о подземных водах существовали, по-видимому, уже в глубокой древности. Они заключались в умении по небольшому числу местных примет выбирать участки для заложения копаных колодцев, а позднее буровых скважин.

В истории изучения подземных вод в России выделяются два этапа: дореволюционный и после революционный. В дореволюционный период большое значение имели экспедиции Российской Академии наук, учрежденной в 1724 г. Экспедиции направлялись для проведения исследований в различные районы страны, в них работали крупные ученые геологи, в том числе С.П.Крашенинников, И.И.Лепехин, В.Ф.Зуев и др. Такими экспедициями собирались данные о пресных и минеральных подземных водах, а также высказывались рекомендации о целесообразности их использования. В этих трудах обнаруживаются первые попытки установления причинной связи между различными явлениями природы и подземными водами.

Широкие научные исследования подземных вод были начаты М.В.Ломоносовым. В 1740-1750 г.г. в своей работе «О слоях земных» М.В.Ломоносов четко сформулировал ряд научных положений о подземных водах, как сложных природных растворах, находящихся во взаимодействии с горными породами. В своих последующих трудах М.В.Ломоносов изложил теорию происхождения подземных вод и описал процесс круговорота воды в природе.

Позднее исследования, связанные с использованием пресных и минеральных вод, строительством железных дорог и т.д. проводил геологический комитет, основанный в Петербурге в 1882 г. В составе геологического комитета в то время работали крупнейшие ученые: А.П.Карпинский, И.А.Соколов, И.В.Мушкетов, С.Н.Никитин и другие, сыгравшие большую роль в развитии отечественной гидрогеологии и инженерной геологии.

Проблемой зональности химического состава грунтовых вод занимался русский ученый – почвовед В.В.Докучаев. А.Ф.Лебедев установил различные виды воды в породах и особенности их перемещения. Он первый доказал существование конденсации водяных паров в почвах и грунтах, объяснив механизм этого процесса для различных климатических зон России.

В первые годы после Октябрьской революции исследования подземных вод и грунтов выполнялись, в основном, органами Наркомзема в связи с гидротехническим строительством и водоснабжением.

В 30-х годах впервые были составлены сводные карты (минеральных вод, гидрогеологического районирования), которые имели большое значение для планирования дальнейших гидрогеологических исследований. Таким образом, уже в предвоенные годы гидрогеология становится самостоятельной наукой.

После окончания Великой Отечественной войны гидрогеологические исследования ведутся на научной основе, они характеризуются широким размахом работ, большим разнообразием тематики исследований и комплексностью их проведения.

Для глубокого научного анализа и широкого регионального обобщения материалов по подземным водам было принято решение подготовить и опубликовать 45 томов «Гидрогеология СССР». Эта колоссальная работа выполнена.

В настоящее время в России гидрогеология оформилась в сложную комплексную науку, включающую следующие самостоятельные научно-методические курсы: Динамика подземных вод, Гидрогеохимия, Региональная гидрогеология и др.

Динамика подземных вод изучает закономерности движения подземных вод под влиянием естественных и искусственных факторов и разрабатывает методы количественной оценки и управления этим движением в нужном для человека направлении. Теоретические основы данного курса гидрогеологии созданы Н.Е.Жуковским, Н.И.Павловским, Г.Н.Каменским и др.

В последнее время успешно развивается гидрогеологическое моделирование – искусственное воспроизведение на различных моделях процессов фильтрации подземных вод. Моделирование применяется для более глубокого изучения закономерностей формирования, распространения и движения поземных вод, а также научного обоснования методов и объемов проектирования гидрогеологических исследований.

Гидрохимия изучает строение, структуру, процессы формирования и изменения состава подземных вод как сложной динамической системы, условия и формы миграции химических элементов в водах различных генетических типов и их обогащение различными элементами при взаимодействии с горными породами. Большое значение для гидрохимии имеют работы В.И.Вернадского, А.Е.Ферсмана, В.А.Сулина и др.

Региональная гидрогеология занимается изучением закономерностей условий залегания, распространения и формирования подземных вод в конкретных регионах, их связи с геологическими структурами земной коры и историей развития с целью установления перспектив и общих возможностей использования подземных вод в народном хозяйстве. Она рассматривает и разрабатывает принципы обобщения региональных материалов, гидрогеологического картирования и районирования для территорий с различными физико-географическими условиями и геологическим строением. Успехи региональной гидрогеологии во многом предопределены фундаментальными работами гидрогеологов: С.Н.Никитина, Г.Н.Каменского, Н.И.Толстихина, И.К.Зайцева, А.М.Овчинникова.

Развитие гидрогеологической науки приводит к дальнейшему расширению и становлению новых научных направлений, например, таких, как учение о режиме и балансе подземных вод, криогидрогеология и т.д.

Учение о режиме и балансе подземных вод рассматривает закономерности изменения во времени уровней, расходов, температур и химического состава подземных вод под влиянием естественных и искусственных факторов. Для изучения режима и баланса подземных вод используются данные режимной сети, а также материалы, где проводятся наблюдения за режимом подземных вод. Становлению этой отрасли гидрогеологии способствуют работы Г.Н.Каменского, А.В.Лебедева и др.

Учение о месторождениях подземных вод – одно из основных направлений развития гидрогеологической науки. Оно рассматривает условия формирования месторождений пресных, минеральных, промышленных и термальных вод, разрабатывает методы оценки прогноза их качества, запасов, изучает вопросы восполнения ресурсов подземных вод и условия их режима с целью наиболее эффективного использования в народном хозяйстве. Развитие этого направления в гидрогеологии связано с трудами А.М.Овчинникова, Г.Н.Каменского, Н.И.Толстихина и др.

Криогидрогеология изучает условия залегания, закономерности распространения и формирования подземных вод во взаимодействии их с многолетнемерзлыми породами.

1.3. Значение подземных вод в народном хозяйстве

В повседневной жизни и деятельности человека подземные воды играют весьма существенную роль. Они являются источником водоснабжения многочисленных городов, промышленных предприятий и сельских населенных пунктов. Огромное значение подземные воды имеют при сельскохозяйственном освоении территорий. Они широко применяются для лечебных целей, используются для добычи брома, йода, германия и других редких компонентов.

Контрольные вопросы:

1. Сформулируйте основные задачи гидрогеологии.

2. Что вызвало зарождение науки гидрогеологии?

3. Какие основные этапы отмечаются в развитии гидрогеологических исследований?

4. Зачем нужно знание гидрогеологии геологу-съемщику, геологу-руднику?