Гидрогеоло гия от др -греч ὕδωρ водность

Зарегистрируйтесь, чтобы просмотреть полный документ!

Гидрогеоло гия (от др. -греч. ὕδωρ «водность» + геология) — наука, изучающая происхождение, условия залегания, состав и закономерности движений подземных вод. Также изучается взаимодействие подземных вод с горными породами, поверхностными водами и атмосферой. В сферу этой науки входят такие вопросы, как динамика подземных вод, гидрогеохимия, поиск и разведка подземных вод, а также мелиоративная и региональная гидрогеология. Гидрогеология тесно связана с гидрологией и геологией, в том числе и с инженерно геологией, метеорологией, геохимией, геофизикой и другими науками о Земле. Она опирается на данные математики, физики, химии и широко использует их методы исследования. Данные гидрогеологии используются, в частности, для решения вопросов водоснабжения, мелиорации и эксплуатации месторождений. 1

Подземные воды Подземными считаются все воды земной коры, находящиеся ниже поверхности Земли в горных породах в газообразном, жидком и твердом состояниях. Подземные воды составляют часть гидросферы — водной оболочки земного шара. Запасы пресной воды в недрах Земли составляют до 1/3 вод Мирового океана. В России известно порядка 3367 месторождений подземных вод, из них эксплуатируется менее 50 %. Иногда подземные воды вызывают оползни, заболачивание территорий, осадку грунта, они затрудняют ведение горных работ в шахтах, для уменьшения притока подземных вод проводят осушение месторождений и сооружают водоотливы. 2

История гидрогеологии Накопление знаний о подземных водах, начавшееся с древнейших времен, ускорилось с появлением городов и поливного земледелия. В частности, свою лепту внесло сооружение копаных колодцев, строившихся в 2— 3 тыс. до н. э. в Египте, Средней Азии, Китае и Индии и достигавших глубин в несколько десятков метров. Примерно в этот же период появилось лечение минеральными водами. Первые представления о свойствах и происхождении природных вод, условиях их накопления и круговороте воды на Земле были описаны в работах древнегреческих ученых Фалеса и Аристотеля, а также древнеримских Тита Лукреция. Изучению подземных вод способствовало расширение работ, связанных с водоснабжением в Египте, Израиле, Греции и Римской империи. Возникло понятия о ненапорных, напорных и самоизливающихся водах. Последние получили в XII веке н. э. название артезианских — от названия провинции Артуа (древнее название — Артезия) во Франции. 3

В России первые научные представления о подземных водах как о природных растворах, их образовании путем инфильтрации атмосферных осадков и геологической деятельности подземных вод были высказаны М. В. Ломоносовым в сочинении «О слоях земных» (1763 г. ). До середины XIX века учение о подземных водах развивалось как составная часть геологии, после чего обособилось в отдельную дисциплину. 4

Распределение подземных вод в земной коре Подземные воды в земной коре распределены в двух этажах. Нижний этаж, сложенный плотными магматическими и метаморфическими породами, содержит ограниченное количество воды. Основная масса воды находится в верхнем слое осадочных пород. В нем выделяют три зоны — верхнюю зону свободного водообмена, среднюю зону водообмена и нижнюю зону замедленного водообмена. Воды верхней зоны обычно пресные и служат для питьевого, хозяйственного и технического водоснабжения. В средней зоне располагаются минеральные воды различного состава. В нижней зоне находятся высокоминерализованные рассолы. Из них добывают бром, йод и другие вещества. 5

Формирование подземных вод Подземные воды образуются различными способами. Один из основных способов образования подземной воды — просачивание, или инфильтрация, атмосферных осадков и поверхностных вод. Просачивающаяся вода доходит до водоупорного слоя и накапливается на нем, насыщая породы пористого и пористотрещинноватого характера. Так возникают водоносные слои, или горизонты подземных вод. Кроме того, подземные воды формируются путём конденсации водяных паров. Выделяются также подземные воды ювенильного происхождения. 6

Инфильтрация Подземные воды формируются из вод атмосферных осадков, выпадающих на земную поверхность и просачивающихся в грунт на некоторую глубину, а также из вод болот, рек, озёр и водохранилищ, также просачивающихся в землю. Количество влаги, попадающей таким образом в почву, составляет 15 -20 % от общего количества выпавших атмосферных осадков. Проникновение вод в грунты зависит от физических свойств этих грунтов. В отношении водопроницаемости грунты делятся на три основные группы — водопроницаемые, полупроницаемые и водонепроницаемые или водоупорные. К водопроницаемым породам относятся крупнообломочные породы, галечник, гравий, пески. К водонепроницаемым породам — плотные магматические и метаморфические породы, такие как гранит и мрамор, а также глины. К полупроницаемым породам относятся глинистые пески, рыхлые песчаники. 7

Количество воды, просочившейся в грунт, зависит не только от его физических свойств, но и от количества атмосферных осадков, наклона местности и растительного покрова. При этом длительный моросящий дождь создаёт лучшие условия для просачивания, нежели обильный ливень. Крутые склоны местности увеличивают поверхностный сток и уменьшают просачивание атмосферных осадков в грунт, а пологие, наоборот, увеличивают просачивание. Растительный покров увеличивает испарение выпавшей влаги, но, в то же время задерживает поверхностный сток, что способствует просачиванию влаги в грунт. Для многих территорий земного шара инфильтрация является основным способом образования подземных вод. Подземные воды также могут образовываться за счёт искусственных гидротехнических сооружений, например таких, как оросительные каналы. 8

Конденсация водных паров Второй путь образования подземных вод — это конденсация водяных паров в горных породах. Ювенильные воды — ещё один способ образования подземных вод. Такие воды выделяются при дифференциации магматического очага и являются «первичными» . В природных условиях чистых ювенильных вод не существует: подземные воды, возникшие разными способами, смешиваются друг с другом. 9

Классификация подземных вод Выделяется четыре типа подземных вод: верховодка, спорадические, грунтовые, напорные (артезианские) и подземные воды вечной мерзлоты. По условиям залегания подземные воды подразделяются на несколько видов: • почвенные; • грунто вые; • межпластовые; • артезианские; • минеральные. По условиям залегания: поровые, пластовые, трещинные. В зависимости от степени минерализации: ультропресные, минеральные, солоноватые, соленые и рассолы. По температуре: переохлажденные, холодные и термальные. В зависимости от качества: технические, минеральные 10 и питьевые.

Верховодка — подземные воды, залегающие вблизи поверхности земли и отличающиеся непостоянством распространения, временем существования. Верховодка существует в период достаточного увлажнения, а в засушливое время исчезает. Воды верховодки обычно пресные, слабоминерализованные, но часто бывают загрязнены органическими веществами и содержат повышенные количества железа и кремнекислоты. Как правило, верховодка не может служить хорошим источником водоснабжения. При необходимости принимаются меры для искусственного сохранения этого типа вод: устраивают пруды, отводы из рек, колодцы, насаждения 11 растительности или задерживающие снеготаяние.

Грунтовые воды Грунтовыми водами называются воды, залегающие первыми от поверхности и имеющие региональное распространение. Они, как правило безнапорные, в редких случаях имеют локальный напор. Грунтовые воды могут залегать как в рыхлых пористых породах, так и в твердых трещиноватых. Уровень грунтовых вод подвержен сезонным колебаниям, на него влияют количество выпадающих осадков, климат, рельеф, наличие растительного покрова и хозяйственная деятельность человека. Грунтовые воды являются одним из источников водоснабжения (преимущественно колодцы), выходы подземных вод на поверхность называются родниками, или ключами. 12

Артезианские воды Артезиа нские во ды (от Artesium, латинского названия французской провинции Артуа, где эти воды использовались с XII века) — напорные подземные воды, заключенные в водоносных пластах горных пород между водоупорными слоями. Обычно встречаются в пределах определенных геологических структур (впадин, и др. ), образуя артезианские бассейны. При вскрытии буровой скважиной артезианские воды поднимаются выше кровли водоносного пласта, иногда фонтанируют. Обычно залегают на глубине от 100 до 1000 метров. 13

Saturation level уровень грунтовых вод; Artesian well — артезианская скважина; Pervious strata — водоносный слой; Impervious strata — водоупорный слой породы 14

О химическом составе подземных вод. Химический состав подземных вод в значительной степени зависит от их температуры, изменяющий растворимость в воде различных солей и газов. Температура воды колеблется от нескольких градусов в полярных областях и высокогорных районах до 100 о. С и более в районах молодой вулканической деятельности. С глубиной температура воды, как и горных пород, повышается. Для питьевых целей наиболее приятна вода с температурой 7 -11 о. С, для поливов применяют воду температурой не ниже 14 -17 о. С. Температура воды в скважинах измеряют электрическими термометрами. Воду считают универсальным растворителем. По видимому, в природных водах содержатся все элементы периодической системы Менделеева. В настоящее время в воде обнаружено более 60 элементов. 15

В подземных водах находятся растворимые вещества, диссоцированные на ионы, коллоидные частицы, газы, макроорганизмы. Эти компоненты поступают в подземные воды из горных пород, атмосферы и с поверхностными водами. Химический состав воды устанавливают путём анализа проб, отобранных из скважин родников. Тип химического состава подземных вод зависит от содержания ионов кальция, магния, натрия, хлора, сульфатного, гидрокарбонатного и др. Кроме содержания этих ионов и массовой концентрации сухого остатка в природе, при анализе определяют водородный показатель воды, её жёсткость, а в некоторых случаях – содержания железов, коллоидов, газов, микрокомпонентов, органических веществ, бактериологический состав и т. д. Кальция в подземных водах мало вследствие слабой растворимости карбоната кальция. Невелико также и содержание магния. 16

Соединения натрия легко растворимы. Натрий участвует в катионовом обмене, преобладает в водах повышенной минерализации. Калий в подземных водах составляет 4 -10% количества натрия. Соединения хлора легко растворимы, в большинстве минерализованных вод он является основным анионом. Довольно широко распространен в подземных водах сульфатный ион. Его соединения в почве (NA 2 SO 4, Mg. SO 4 и др. ), как и соединения хлора (Na. Cl, Mg. Cl 2), токсичны для сельскохозяйственных растений. Гидрокарбонатный ионы чаще всего связаны кальцием и магнием, слаборастворимы, поэтому встречаются только в пресных водах. Из коллоидов следует назвать соединения железа. При наличии железа в воде развивается деятельность железистых бактерий, приводящих при 6 -10 мг/л и более в закупорке фильтров скважин. 17

О химическом свойстве воды судят по следующим показателям: минерализация = сумме минеральных веществ, полученных при химическом анализе, выражаемой в миллиграммах на литр или граммах на килограмм ( мг/л или г/кг); массой концентрации сухого остатка в природе = общей массе веществ, полученной после выпаривания профильтрованной воды и последующего высушивания осадка, выражаемой в миллиграммах на литр или граммах на килограмм (мг/л или г/кг). Массивная концентрация сухого остатка в природных водах изменяется от нескольких десятков миллиграммов до нескольких сотен граммов на литр (предел 650 г/л). 18

По массовой концентрации сухого остатка (мг/л) воды подразделяют на следующие группы: 1) сверхпресные – до 200 2) пресные – 200 -100 3) слабосолоноватые – 1000 -3000 4) сильносолоноватые – 3000 -10000 5) солёные – 10000 – 35000 6) рассола – более 35000. 19

Пресные воды преимущественно гидрокарбонатного или сульфатного – гидрокарбонатного состава, слабосолоноватые – гидрокарбонатно – сульфатного, солёные – сульфатно – хлоридные или хлоридного, сильносолоноватые – сульфатного или хлоридно – сульфатного, сильно солёные и рассолы – преимущественно хлоридного , но иногда могут быть и сульфатно – хлоридного, а иногда сульфатного состава. Минерализация – один из основных показателей при оценке качества подземных вод. 20

Водородный показатель (p. H) – характеризует активность или концентрацию ионов водорода в растворах; численно он равен отрицательному десятичному логарифму активности или концентрации ионов водорода. От содержания ионов водорода и гидроксила зависят соответственно кислотные и основные свойства воды. В химически чистой воде они содержатся в равных количествах, поэтому такая вода нейтральна, ей соответствует концентрация ионов водорода 10 -7 г/л. Для нейтральной воды р. Н = 7; при р. Н меньше 7 воды кислые; если р. Н больше 7, воды щелочные, при р. Н больше 10, 3 воды называют высокощелочными. Щелочные грунтовые воды, связаны с натрием, при неглубоком залегании уровня могут вызывать в аридных областях содовое засоление почв, наиболее вредное для растений. 21

Концентрацию водородных ионов определяют на месте отбора пробы обычно колометрическим способом. Он основан на использовании индикаторов, которые изменяют окраску в зависимости от р. Н. Жёсткость воды обусловлена наличием ионов кальция и магния. Жёсткость бывает следующих видов: общая сумма как карбонатной [соли Са(НСО 3)2 и Mg(НСО 3)2] и некарбонатной [соли Са. SО 4, Mg. SО 4, Са. Сl 2 и Mg. CL 2], временная или устранённая, [бикарбонаты кальция и магния, переходящие при кипячении в слаборастворимые карбонаты и выпадающие в осадок]. Разность между общей и устранимой жёсткостью соответствует постоянная жёсткость. По ГОСТУ жёсткость воды выражают в миллиграммах эквивалентах Са 2+ и Mg 2+ на 1 л воды. Один мг/эквивалент жёсткости соответствует содержанию 20, 04 мг/л Са 2+ и 12, 6 мг/л Mg 2+. 22

По жёсткости воды делятся на следующие группы: 1) очень мягкая – до 1, 5 мг*экв/л 2) мягкая – 1, 51 – 3, 0 мг*экв/л 3) умерено жёсткая – 3, 01 -6, 0 мг*экв/л 4) жёсткая – 6, 01 – 9, 0 мг*экв/л 5) очень жёсткая – более 9, 0 мг*экв/л При необходимости жёсткую воду соответствующей обработкой смягчают до нужных пределов. 23

Химический состав подземных вод формируется под влиянием следующих факторов: выщелачивание почв и горных пород и полного растворения минералов и пород; концентрирование солей из природных растворов при изменении термодинамических условий; коллоидно – химических процессов (обмен катионов в поглощающем комплексе почв и глинистых пород: Са 2+ на Na+ и Na+ на Са 2+ ), а также диффузии и микробиологических процессов, смещения вод различного происхождения. Эти процессы зависят от климатических, геологических гидродинамических и других условий. Большую роль в формировании химического состава подземных вод и играет состав осадков и поверхностных вод 24

Артезианские воды По химическому составу артезианские воды встречаются от пресных до рассолов в зависимости от наличия водорастворимых солей в водоносном пласте и ограничивающих его в водоупорных пластах, интенсивности водообмена и климатических условий. В ряде районов артезианские воды в силу особенностей химического и газового состава или повышенной радиоактивности и щелочности обладают ценными лечебными свойствами. Такие воды называют минеральными. Типы их многообразны. Широко известны, например, углокислые воды: гидрокарбонатные, преимущественно-кальциевые (кисловодский нарзан), гидрокарбанатно-натриевые (боржоми), гидрокарбанатно-хлоридно-натриевые (ясентуки). Очень ценны сероводородные воды с содержанием H 2 S более 1 -10 мг/л (воды Мацесты и др. ). 25

Минеральные воды в санатории Ботаника, Семашко, Федович, Минводы также лечебные, гидрокарбонатные, термальные. Минеральные воды, циркулирующие на различных глубинах, имеют температуру от нескольких градусов до 200 -300 о С. Артезианские воды с повышенной температурой называют термальными. При температуре 37 -42 о. С воды относят к собственно-термальным, при t 42 -100 о С – к гипотермальным, более 100 о С – к перегретым. Температура последних может достигать 200 -300 о С, что свойственно, например, азотноуглекислым парогидротермам, формирующимся вблизи вулканических очагов. Такие воды нередко выходят на поверхность в форме пароводяных струй, образуя кипящие источники и гейзеры. Из скважин вскрывающих эти воды, вырывается пароводяная смесь. Такие воды (термальные) распространены на Камчатке, Курильских островах, в Западной Сибири, Узбекистане и т. д. 26

Ценность термальных вод заключается в возможности использования их как источника тепловой энергии для выработки электрической энергии ( Плужейская электростанция на Камчатке), в Италии, Новой Зеландии, Японии, США и других стран. При определённом химическом и газовом составе термальные воды используют также в медицинских и промышленных целях. Промышленными называют подземные воды, из которых можно получать полезные компоненты (бор, йод, бром, литий, рубидий, хлористый натрий, вольфрам и др. ). Эти воды приурочены в палеозойских отложениях Русской платформы, где представлены рассолами высокой концентрации в Западной Сибири, Средней Азии и других районах. 27

Скачать презентацию Гидрогеоло гия от др -греч ὕδωρ водность

Презентация лекции 5 НЗ 2013.ppt

Количество слайдов: 27