_{Содержиние}

Содержание гидрогеологии:

общая гидрогеология – основы учения о подземной гидросфере, появление и закономерности распределения воды в недрах Земли;

региональная гидрогеология – закономерности распространения подземных вод в земной коре, типы гидрогеологических структур, формирование различных типов подземных вод;

3. гидрогеодинамика – исследование законов движения подземных вод, закономерностей формирования их гидродинамического режима и ресурсов; 4. гидрогеохимия – исследование законов миграции химических элементов в подземной гидросфере и процессов формирования химического состава подземных вод;

5. гидрогеотермия – исследование термических свойств и процессов теплопереноса с подземными водами;

6. палеогидрогеология – происхождение и история развития подземной гидросферы, исследование роли подземных вод в геологических процессах.

Гидрогеология объектов недропользования включает комплекс специальных гидрогеологических исследований, связанных с поисками, разведкой и промышленным освоением месторождений полезных ископаемых — твердых, нефтегазовых и гидроминеральных, а также с решением задач инженерной геологии и геоэкологии. Многофункциональный комплекс исследований обусловил формирование соответствующих им ветвей в гидрогеологии. Таких как:

— горнопромышленная гидрогеология;

— гидрогеология месторождений твердых полезных ископаемых;

— гидрогеология месторождений углеводородного сырья (нефтяная гидрогеология);

— поиски и разведка подземных вод;

— криогидрогеология;

— экологическая гидрогеология.

Задачи гидрогеологии:

• Изучение химического состава и физических свойств ПВ с целью использования их для питьевого и технического водоснабжения

• Изучение законов происхождения и формирования иподземных вод

• Изучение законов движения подземных вод

• Изучение подземных вод как источник минерального сырья и тепловой энергии

• Изучение подземных вод в их взаимодействии с горными породами и подземными сооружениями

• Охрана подземных вод от истощения и загрязнения

Выделяют 3 этапа развития гидрогеологии:

1 этап: До нового века. Эта накопления сведения о подземных вод, поиск способов использования и начало наблюдения за гидрогеологическими явлениями (Фалес Милетский, Платон. Бируни).

Деревянные и каменные водозаборные сооружения – примерно 11 век.

Конец 12 в. – в провинции Артезия нашли напорно-фонтанирующую воду

2 этап: Систематизация и теоретическое осмысление в гидрогеологии

При Петре I первые геологические экспедиции

1724 г. – создана Российская академия наук (РАН)

1763 г. – работа Ломоносова: Атмосферные осадки формируют подземную воду

1882 г. – Геологический комитет (Геоком) штатная должность – гидрогеолог

Вклад в развитие геологии: Гельмерсен, Никитин, Мушкетов, Андрусов, Сулин, Архангельский, Вернадский, Саваренсктий и др.

1922 г. – Первый учебник по гидрогеологии (Червинский)

1931 г. – Первый всесоюзный съезд гидрогеологов в Ленинграде.

3 этап: вторая половина XX века – до нашего времени (особенно после военного времени)

1966-1978 – Выход 50-томного издание «Гидрогеология СССР»

6-томное издание «Основы гидрогеологии»

Были заложены основы структурно-гидрогеологического подхода к изучению подземных вод в работах Ленинградской школы гидрогеологии.

Сформулирована структурная гидрогеология, как самостоятельная направление в гидрогеологии (Каменский, Степанов).

2) Основной фундаментальной проблемой современной гидрогеологии является формирование подземных вод. Это - проблема, состоящая из формирования ресурсов подземных вод и их состава в четырехмерном пространстве. К числу прикладных проблем относятся поиски и разведка месторождений пресных питьевых подземных вод, а также подземных вод, используемых в различных хозяйственных целях: технологические процессы производства, заводнение нефтяных залежей и осушение месторождений полезных ископаемых и др., использование химического и газового состава подземных вод при поисках месторождений полезных ископаемых (нефти, газа, полиметаллов и др.). В последние годы решаются проблемы захоронения промстоков в недра. Таким образом, прикладные задачи гидрогеологии связаны с использованием подземных вод для различных целей.

3) Гидросфера подземная – это совокупность всех видов подземных вод, находящихся в толщах горных пород верхней части земной коры в жидком, твердом и парообразном состоянии. Гидросфера подземная пронизывает всю литосферу и образует с ней единую гидролитосферу. Основную часть гидросферы подземной составляют подземные воды.

4) Вода, заполняющая различные пустоты в горных породах (каверны, трещины, поры) подразделяется на следующие виды: вода в форме пара; физически связанная вода: а) прочносвязанная (гигроскопичная), б) слабосвязанная (пленочная); свободная вода: а) капиллярная вода, б) гравитационная вода; вода в твердом состоянии; кристаллизационная вода.

4.1.1. Вода в форме пара (парообразная) вместе с воздухом заполняет пустоты в горных породах, свободные от жидкой воды. При понижении температуры или повышении давления водяные пары конденсируются на стенках пустот и переходят в жидкую фазу.

4.2.1. Прочносвязанная (гигроскопическая) вода образуется непосредственно на поверхности частиц горных пород в результате процессов адсорбции молекул воды из паров и прочно удерживается под влиянием электрокинетических и молекулярных сил (рис. 16.1, а).

4.2.2. Слабосвязанная (пленочная) вода образуется с увеличением количества воды, создающей как бы вторую сплошную пленку поверх гигроскопической. Пленочная вода способна передвигаться от частиц с большей толщиной пленки к частицам с меньшей толщиной (рис. 16.1, б). Движение воды происходит до тех пор, пока толщина пленок не сравняется.

4.3.1. Капиллярная вода заполняет капиллярные поры, тончайшие трещины, в которых удерживается силами поверхностного натяжения (рис. 16.1, в). Капиллярная вода может передвигаться по капиллярным каналам в любом направлении, в том числе и снизу вверх. Продвигается она обычно тем дальше, чем тоньше диаметр пор или трещин, по которым она двигается.

4.3.2. Гравитационная вода находится в капельно-жидком состоянии и передвигается под действием гравитационных сил. Сила тяжести обусловливает наличие у гравитационной воды уровня или зеркала (рис. 16.1, г).

4.4. Вода в твердом состоянии находится в горных породах в виде отдельных кристаллов или в виде линз и отдельных прослоек льда. Обычно образуется при сезонном промерзании в водонасыщенных горных породах, но особенно широко развита в областях распространения многолетнемерзлых горных пород в виде различных типов льдов (погребенных, жильных, повторно-жильных и др.).

4.5. Кристаллизационная вода входит в состав кристаллической решетки минералов, например гипс CaSO4*2Н2О, мирабиллит — Na2SO4*10H2O. Она может быть удалена при нагревании до такой температуры, когда происходит разрушение кристаллической решетки минерала.

5) Колле́кторские сво́йства го́рных поро́д,

определяют возможности вмещать в пустотном пространстве разл. жидкости и газы и пропускать их через себя (фильтровать) при перепаде давлений. Это коли-чественные параметры, важные для оценки запасов месторождений нефти, газа, водных ресурсов, а также для выбора режима эксплуатации месторож-дений. Осн. характеристики: проницаемость, ёмкость, остаточная флюидона-сыщенность.

Проницаемость – способность горных пород пропускать жидкие и газообразные флюиды через сообщающиеся пустоты при перепаде давле-ния; наиболее важный параметр, определяющий возможность извлечения из породы воды, нефти и газа. Процесс движения жидкостей или газов в тре-щинно-пористых средах (в наиболее обобщённом виде) описывается эмпи-рич. уравнением Дарси, где проницаемость прямо пропорциональна объёму фильтрующегося флюида. Проницаемость (коэффициент проницаемости) из-меряется объёмом флюида определённой вязкости, протекающим в единицу времени через заданное поперечное сечение горной породы, перпендикуляр-ное заданному градиенту давления. Выражается в мкм2 либо в Д (дарси); 1 Д≈ 1 мкм2. Различают абсолютную, эффективную и относит. проницаемо-сти.

Абсолютная (физическая) проницаемость отражает макс. прони-цаемость породы при фильтрации однородной жидкости или газа в условиях полного насыщения пор породы данным флюидом.

Эффективная (фазовая) проницаемость характеризует способ-ность породы пропускать флюид в присутствии др. насыщающих пласт флюидов. Абсолютную и эффективную проницаемости определяют лабора-торными методами, основанными на моделировании процесса фильтрации (однофазной или многофазной) в цилиндрич. образце горной породы.

Относительная проницаемость представляет отношение эффек-тивной проницаемости, измеренной по к.-л. флюиду, к абсолютной. Наибо-лее распространённые среди коллекторов осадочные породы делятся на хоро-шо проницаемые (св. 0,01 мкм2), среднепроницаемые [(10–0,01)·10–3 мкм2] и слабопроницаемые (менее 0,01·10–3 мкм2). Проницаемость существенно за-висит от структуры порового пространства, трещиноватости (нарушения сплошности пород трещинами разл. генезиса, протяжённости, формы и про-странственной ориентировки), кавернозности пород (вторичная пустотность, образующаяся преим. в растворимых карбонатных породах), а также количе-ства фаз фильтрующихся флюидов (для многофазных систем ниже, чем для однофазных) и их физико-химич. свойств. Структура порового пространства во многом определяется структурно-текстурными особенностями породы и характеризуется: размером пор и поровых каналов, величиной внутр. удельной поверхности (т. е. площадью поверхности всех пустот в единице объёма или массы вещества) и извилистостью каналов. Величина внутр. удельной поверхности в породах сильно изменяется и может достигать не-скольких м2 в 1 см3 породы. Она используется для расчёта скорости фильтра-ции.

Общая ёмкость горных пород характеризуется суммарным объёмом пустот (пор, каверн, трещин и др.), различающихся по генезису, морфологии, условиям аккумуляции и фильтрации флюидов. На практике часто все пусто-ты в горных породах называют порами, а ёмкость – пористостью. Величина пористости оценивается отношением объёма пор к объёму образца породы и выражается в процентах или в долях единицы. Различают пористость гор-ных пород: общую, открытую, закрытую и эффективную.

Общая пористость (полная, абсолютная) отражает суммарный объём сообщающихся и изолированных пор;

Открытая (насыщенная) – объём сообщающихся между собой пор, она меньше общей на объём изолированных пор;

Закрытая – объём изолированных пор, не имеющих связи с други-ми пустотами.

Эффективная пористость (статическая или динамическая в зави-симости от способа определения объёма остаточных флюидов) характеризует объём пор, занятый подвижным флюидом (не учитываются тупиковые, за-стойные пустоты или поры очень мелкого размера); она меньше открытой на объём остаточных флюидов. Величина пористости у разл. типов горных пород колеблется от долей процента до 60% и более. Пористость исследуется лабораторными методами (изучение шлифов, полированных образцов, рент-геновское просвечивание образцов и др.).

Остаточная флюидонасыщенность характеризует неиз-влекаемую часть флюидов. Остаточные флюиды не участвуют в фильтрации и снижают величину полезной ёмкости коллектора. Доля открытого порового пространства, занятого водой, называется коэффициентом водонасыщенно-сти, нефтью (газом) – коэффициентом нефте (газо)насыщенности. В сумме эти коэффициенты составляют единицу или 100%. При подсчёте запасов уг-леводородов в месторождении, кроме коэффициентов нефте- и газонасыщен-ности, необходимо определить коэф. остаточной водонасыщенности – отно-шение объёма остаточной воды (локально сохранившейся в порах коллектора после того, как он был заполнен нефтью) в горной породе к объёму открыто-го пустотного пространства породы. Количество и характер распределения остаточной воды зависят от сложности строения пористой среды, величины удельной поверхности поровых каналов, a также от поверхностных свойств породы (гидрофильности и гидрофобности) и физико-химич. свойств воды и вытесняющих её нефти и газа. Количество остаточной воды в породах разл. литологич. состава изменяется от 5 до 70% и более. Наиболее гидрофильны глинистые минералы, менее – кварц и карбонаты; в хорошо проницаемых от-сортированных обломочных породах содержание остаточной воды низкое, в глинистых алевритистых породах – очень высокое. Остаточную водонасы-щенность определяют в образцах породы лабораторными методами (вытес-нения, центрифугирования, испарения и др.).

6 Гидрофизические зоны Земли

В подземной гидросфере выделяются следующие гидрофизи-

ческие зоны:

1) аэрации;

2) мерзлая зона земной коры;

3) насыщения;

4) переуплотненного водяного флюида;

5) жидкопластичного водного раствора силикатов и алюмосиликатов;

6) диссоциированных молекул воды.

Наиболее изученными являются первые три зоны.

Зона аэрации охватывает верхние слои литосферы от дневной поверхности до уровня грунтовых вод. В зоне аэрации поры пород обычно заполнены воздухом и парами воды, а также прочно-, рыхлосвязанной и капиллярной водой. Периодически весной в период таяния снега или во время выпадения интенсивных дождей в породах зоны аэрации образуется свободная (гравитационная) вода.

Гравитационной называют свободную капельно-жидкую воду, которая перемещается в горных породах под действием силы тяжести (сверху вниз). Она содержится в порах, имеющих диаметр более 1 мм. Гравитационную воду можно извлечь из горной породы вычерпыванием или откачкой. Среди подземных вод гравитационная вода оказывает наибольшее влияние как геологический фактор.

Мощность зоны аэрации зависит от литологических особенностей пород (глубины залегания водонепроницаемых толщ), рельефа местности, степени расчлененности поверхности земли и климатических условий (количества атмосферных осадков, величины инфильтрации). Она изменяется в широких пределах – от долей метра до 100 м и более. Через зону аэрации осуществляется тесная связь подземных вод с атмосферой: дождевые и талые воды просачиваются вглубь и пополняют ресурсы подземных вод.

Верхняя часть зоны аэрации (до глубины около 1 м) характеризуется интенсивным испарением (в засушливых областях через зону аэрации происходит испарение подземных вод при их залегании на глубине менее 3 м), нижняя – внутригрунтовой конденсацией, заканчивающейся на глубине 6– 10 м. Конденсация водяных паров зависит от климатических условий. Так, в районе Москвы она равна 36 мм/год, а в Каракумах – 17 мм/год.

Мерзлая зона земной коры (криолитозона) отличается преимущественным распространением подземных вод в твердой фазе. Она охватывает обширные северные районы Евразии, Америки, Антарктиду, а также вы сокогорные территории горно-складчатых сооружений. В России она распространена в основном на северо-востоке и в горных районах. Мощность мерзлой зоны изменяется от 0 до 1 000 м и более.

В данной зоне господствуют отрицательные температуры, значения которых колеблются от 0 до –15 ºС. Отрицательные температуры являются реликтом суровых климатических условий прошлых геологических эпох. Кроме подземных вод в твердой фазе, в мерзлой зоне встречаются жидкие воды, часто высокоминерализованные, с отрицательными температурами, и даже незначительное количество водяного пара.

Зона насыщения (жидких вод) распространена повсеместно и охватывает почти всю площадь континентальной литосферы (80%). Ее особенность заключается в том, что пустоты и поры пород в ней полностью заполнены (насыщены) свободной и связанной водой. Исключение составляют только площади месторождений нефти и газа. Сверху она граничит с зоной аэрации или мерзлой зоной. Нижняя граница зоны (глубина залегания критической температуры воды составляет 374–450 ºС) зависит от тектонического строения земной коры. В областях современной вулканической деятельности она прослеживается на глубине 8–10 км, а в областях докембрийской складчатости достигает 30–35 км и более [45].

В пределах зоны насыщения, начиная с глубины 1,5 км, физически связанные воды переходят в подвижное состояние. В нижних частях этой зоны, где температура превышает 200–300 ºС, в связанном состоянии остается лишь вода в кристаллической решетке минералов [33].

7 Понятие о водоносных и водоупорных породах.

Водоносными называют такие породы, которые содержат свободную воду, способны пропускать ее через свою толщу и сравнительно легко отдавать под действием силы тяжести. К таким породам относятся галечники, гравелиты, слабосцементированные конгломераты и песчаники, пески, алевролиты, известняки, трещинные магматические и метаморфические породы.

К водоупорным (водонепроницаемым) относят такие породы, которые слабо пропускают (фильтруют) воду или совсœем не способны пропускать и отдавать ее в природных условиях. Такими породами являются глины, тяжелые суглинки, плотный хорошо разложившийся торф, глинистые сланцы, аргиллиты, каменная соль, гипс, мергели, а также всœе плотные и нетрещиноватые магматические и часть метаморфических пород.

8 Классификация подземных вод по температуре

По температуре (в ºС) подземные воды подразделяют, по О. А. Алекину:

1) на весьма холодные: ниже 4;

2) холодные: 4–20;

3) теплые: 20–37;

4) горячие: 37–42;

5) очень горячие: 42–100;

6) исключительно горячие или перегретые (термы): свыше 100.

9 Классификация подземных вод по минерализации.

Существует несколько классификации вод по величине минерализации, в которых, в зависимости от практического назначения или из других соображений, выделяются различ­ные градации минерализации.

Классификация В.И.Вернадского считается простой со значениями:

пресные    до 1 г/дм   .

 соленые 1 – 50 г/дм   .

рассолы    более 50 г/дм   .

По В.А.Приклонскому классификация следующая:

пресные   до 1 г/дм   .

соленые    1 – 32 г/дм   .

средне минерализованная  10 г/дм   .

В гидрогеологии пользуетеся популярностью классифи­кация А. М. Овчинникова:

Ультрапресные пресные                                                менее 0,2 г/л;

воды с относительно                                                      0,2—0,5 г/л;

повышенной минерализацией                                        0,5—1,0 г/л;

солоноватые                                                                    1,0—3,0 г/л;

соленые                                                                           3,0—10,0 г/л;

воды повышенной соленостью                                    10,0—35,0 г/л

Степень минерализации подземных вод (по В.А. Приклонскому)