Предмет, научные методы и задачи гидрогеологии

Гидрогеология, если раскрыть ее название, представляет собой науку о водах недр Земли. Объектом гидрогеологии являются подземные воды, т. е. воды, находящиеся ниже поверхности Земли (дна Мирового океана и водоемов). Эти воды находятся в тесной взаимосвязи с поверхностными водами, представляющими объект изучения другой науки — гидрологии. Исходя из сказанного, более правильно следует определять гидрогеологию, как науку о подземной гидросфере.
Нахождение воды в недрах Земли подчинено геологическому строению территорий. Пласты пористых или трещиноватых горных пород образуют водоносные горизонты, по зонам тектонических нарушений вода может перетекать из одного водоносного горизонта в другой, на участках трещиноватых интрузивных или метаморфических пород формируются водоносные зоны и т. д. При этом вода всегда находится в тесном взаимодействии, в подвижном равновесии с вмещающими ее горными породами, с газами, с живым или погребенным в недрах органическим веществом. Всякое изменение физико-химических условий в недрах приводит к смещению равновесий, т. е. к изменению интенсивности или направленности процессов, с помощью которых осуществляется это взаимодействие. Предметом гидрогеологии является изучение системы вода—порода—газ—живое вещество.
В расширенном определении гидрогеология — это наука о подземной гидросфере, изучающая ее эволюцию, составные компоненты, протекающие в ней процессы, влияние на подземную гидросферу других оболочек Земли, закономерности пространственного распределения скоплений подземных вод, ресурсы, свойства, состав, режим подземных вод в связи с решением строительных, мелиоративных, экологических, поисковых, прогностических и других задач.
Гидрогеология состоит из ряда разделов, некоторые из них все больше и больше получают индивидуальное развитие и могут перерастать в самостоятельную научную дисциплину. Гидрогеологию целесообразно разделить на две основные составные части, определяющие соответственно ее теоретическое и методическо-прикладное содержание. К первой относятся общая гидрогеология, динамика подземных вод, гидрогеотермия, гидрогеохимия, палеогидрогеология, региональная гидрогеология.
Общая гидрогеология. Одна из задач этого раздела гидрогеологической науки состоит в том, чтобы определить место подземных вод в структуре нашей планеты, найти общие законы размещения и существования воды в ее недрах, установить роль воды в геологической истории Земли. С этого предмета начинается изучение гидрогеологических дисциплин. Поэтому при его изложении особое внимание уделяется знакомству с основными гидрогеологическими понятиями, параметрами системы вода—порода— газ—живое вещество. Основной проблемой общей гидрогеологии является построение геологической модели гидросферы Земли, которая бы достаточно четко определяла место подземных вод в истории планеты, отвечая при этом современному уровню науки и тем фактам, которые получены к настоящему времени как гидрогеологией, так и всем комплексом наук о Земле.
Такое понимание предмета общей гидрогеологии пришло не сразу. Поначалу общая гидрогеология рассматривалась как учебная дисциплина, в которой на первом этапе обучения даются краткие сведения из разных разделов гидрогеологии, т. е. введение в гидрогеологию. В первом томе «Основ гидрогеологии», опубликованном в 1980 г. под редакцией профессора Е.В. Пиннекера, общая гидрогеология рассматривается как самостоятельная научная дисциплина, имеющая свой круг гидрогеологических проблем. Такой же точки зрения придерживаются авторы учебника.
Динамика подземных вод (гидрогеодинамика). Решает задачи, связанные с различными формами движения подземных вод. В настоящее время наиболее хорошо разработанными являются вопросы так называемой фильтрации, определяемой перемещением макрообъемов воды в поле силы тяжести Земли в породах с различной структурой порового и трещинного пространства. Однако помимо фильтрации в природе широко развиты и другие формы движения подземных вод: конвекция, диффузия, осмос, адсорбционный перенос, которые в гидрогеологии изучены еще весьма слабо. Ho в динамике подземных вод существуют и более глубокие проблемы, связанные, например, с основами теории фильтрации, построенной на представлении о сплошном потоке подземных вод, подменяющем реальный дискретный поток, определяемый сложной структурой порово-трещинного пространства вмещающих горных пород. До недавнего времени такая подмена вполне устраивала специалистов, хотя и имела, безусловно, свои трудности. В последние годы с усложнением задач, которые ставит перед гидрогеологией практика народнохозяйственного строительства, особенно с появлением задач, связанных с охраной окружающей среды, теория фильтрации все чаще и чаще не дает необходимых и надежных решений. Все острее появляется необходимость достаточно детально знать структуру проницаемого пространства, формирующую структуру реального подземного потока.
Гидрогеотермия. Температурное поле, в котором существуют подземные воды, характеризуется огромной амплитудой. Вода может присутствовать в расплавах горных пород в надкритических условиях при температуре более 374—450 °C и давлении в сотни мегапаскалей. Нижний предел соответствует температуре замерзания крепких рассолов; в зоне многолетней мерзлоты известны температуры подземных вод до -20 °С. Поскольку температура определяет физическое состояние и структуру воды, растворимость солей и газов, возможность существования живых организмов, ясно, что гидрогеотермия, наука об обмене теплом между водой и горными породами и закономерностях изменения температур подземных вод, является важнейшим разделом современной гидрогеологии.
Гидрогеохимия. Подземные воды всегда содержат разнообразные химические компоненты, находящиеся в растворе в молекулярной, ионной, коллоидной формах, а также в виде сложных комплексных соединений и газов. Изучением этих форм, условий их существования, появления и разрушения, классификацией подземных вод по химическому составу, генезисом этих классов, особенностями их размещения в земной коре и в более глубоких недрах Земли занимается гидрогеохимия. В этом разделе гидрогеологии центральным вопросом всегда был и остается вопрос формирования химического состава подземных вод вообще, а также подземных вод конкретных регионов. Проблема заключается в создании генетических моделей для гидрогеохимических задач разных классов.
Палеогидрогеология. Поскольку гидрогеология — наука геолого-историческая, все большее значение приобретает изучение истории формирования подземных вод как составной части литосферы. Воссоздание гидрогеологических условий, существовавших в прошлом в недрах Земли, которым занимается палеогидрогеология, помогает разобраться в современной гидрогеологической структуре регионов и механизмах, сформировавших месторождения подземных вод, нефти, солей, рудных полезных ископаемых.
Региональная гидрогеология. От всяких других вод на Земле подземные отличаются тем, что связаны с горными породами. А поскольку горные породы организованы в различные геологические структуры разного масштаба, то заниматься изучением подземных вод вне зависимости от этих структур, а попросту говоря, вне зависимости от геологических тел было бы методологически и физически неверно. Региональная гидрогеология как раз и занимается изучением пространственно-временных особенностей размещения воды в недрах Земли, связывая пространственную задачу с геологическими телами, а временную со стратиграфическим расчленением этих тел и с геохронологией самой воды, имея в виду время ее появления в данном геологическом теле и время, когда это тело она покидает по тем или иным причинам. Проблемным вопросом. Здесь является формирование подземных вод в различных структурно-геологических условиях. Несмотря на то, что принципы решения этой задачи к настоящему времени разработаны достаточно хорошо, здесь еще много принципиальных трудностей, в частности, связанных с появлением новых геологических концепций, например, рассматривающих механизм движения и деформации земной коры (гипотезы мобилизма, фиксизма и др.).
Надо сказать, что все фундаментальные разделы современной гидрогеологии тесно связаны между собой и эта связь составляет ее теоретическую основу.
Вторая группа разделов гидрогеологии определяется непосредственно запросами практики, промышленного, сельскохозяйственного производства и поэтому время от времени пополняется новыми направлениями. В нее входят: поиски и разведка подземных вод, мелиоративная гидрогеология, нефтяная гидрогеология, гидрогеохимические поиски полезных ископаемых, шахтная и рудничная (горнопромышленная) гидрогеология, охрана подземных вод. Каждое из названных направлений имеет специфическое практическое назначение и обеспечивает решение определенного круга задач, связанных с использованием, регулированием, удалением и охраной подземных вод, а также с поисками полезных ископаемых.
Гидрогеология использует широкий спектр разнообразных методов исследований, среди которых главное место занимают гидрогеологические — такие, как гидрогеологическая съемка, опытнофильтрационные и опытно-миграционные работы, режимные наблюдения за уровнем и притоком подземных вод, их свойствами и составом, лабораторные исследования. Вместе с тем для изучения подземных вод весьма часто используются различные геологические и географические методы исследований и наблюдений (геоморфологические, геохимические, геофизические, структурно-фациального анализа, гидрогеологические, морфометрические и другие), трансформированные применительно к гидрогеологическим целям. На службе гидрогеологии находятся различные методы фундаментальных наук — математики, физики, химии, биологии, использующиеся для изучения различных параметров подземных вод и гидрогеологических процессов, а также для обработки результатов исследований. Для анализа и оценки гидрогеологических явлений обязательно сочетание специальных методов исследований с методами точных наук. В последние годы в гидрогеологии широко применяются новые средства изучения вещества, такие как масс-спектрометрический и атомно-абсорбционный анализы, новые методы обработки информации с помощью ЭВМ, аналоговое и численное моделирование, системы автоматизированного контроля и наблюдения за подземными водами на Земле и из космоса. Все это значительно увеличило возможности изучения гидрогеологических условий.
Методологические основы гидрогеологии, как и других геологических дисциплин, базируются на естественно-историческом, геологического подобия и расчетном принципах. Естественно-исторический принцип позволяет изучить подземную гидросферу в исторической ретроспективе и перспективе, определить ее связи с другими оболочками Земли. Метод геологического подобия позволяет расчленять процессы на составляющие части, синтезировать отдельные элементы для выявления гидрогеологических закономерностей. Расчетный принцип позволяет давать количественную оценку гидрогеологических процессов или явлений.
Гидрогеология как наука с самого своего зарождения обеспечивала потребность общества в воде, занималась решением различных водохозяйственных задач. Это предопределяется широкими возможностями использования подземных вод, прежде всего для питьевого и технического водоснабжения, мелиорации земель, лечебных целей, получения химического сырья, тепла, энергии.
На основании проведенной в России гидрогеологической разведки общее водопотребление подземных вод достигло в 1982 г. 70—80 млн. м3/сут., в том числе для хозяйственно-питьевого водоснабжения городского и сельского населения 20—22 млн. м3/сут. В 62 % городов в качестве основного источника водоснабжения используют подземные воды. Это — Баку, Харьков, Ашхабад, Курск, Чита и многие другие. Согласно «Генеральной схеме комплексного использования и охраны водных ресурсов СССР» потребность в подземных водах в 1990 г. по сравнению с 1985 г. возрастет на 40 млн. м3/сут. К 2000 г. предстоит выполнить важнейшую задачу — перевести хозяйственно-питьевое водоснабжение страны преимущественно за счет использования подземных вод.
С огромным размахом в нашей стране проводится ирригационно-мелиоративное строительство: более двух третей ее территории находится в зоне недостаточного увлажнения, а значительные площади гумидной зоны требуют осушения. В 1982 г. площадь орошаемых земель в бывш. СССР достигла 18,4 млн. га, а осушенных — 13,3 млн. га. Для обоснования таких работ выполняется большой объем гидрогеологических исследований. Крупные гидрогеологические изыскания проведены для обводнения пастбищ. В Средней Азии и Казахстане 250 млн. га пастбищ получают воду из недр Земли. В соответствии с Продовольственной программой и Долговременной программой мелиорации земель только в двенадцатой пятилетке необходимо получить не менее 8 млн. м3/сут. подземных вод для орошения земель.
Важнейшими объектами гидрогеологических исследований последних лет являются районы БАМа, КАТЭКа, Южно-Якутского топливно-энергетического и промышленного комплекса, нефтегазоносных провинций Сибири, Нечерноземья России, сельскохозяйственного освоения на юге Сибири и Дальнего Востока, крупного гражданского, промышленного, гидротехнического и другого строительства, освоения месторождений полезных ископаемых. Во многих из перечисленных районов происходит значительное изменение гидрогеологической обстановки: подъем или понижение уровня подземных вод, истощение и загрязнение водоносных горизонтов, повышение температуры в верхних слоях Земли, деградация мерзлоты и другие процессы. Все это требует оценки и прогноза возможных неблагоприятных явлений и выбора мероприятий для предотвращения их вредного действия. В принятии таких ответственных решений и обосновании их правильности важнейшая роль принадлежит гидрогеологам.
Наша страна исключительно богата гидроминеральными ресурсами — лечебными, термальными, промышленно-ценными. На ее территории установлены все основные типы лечебных вод, известные в мире. Их изучение, поиски новых месторождений целебных вод являются важной задачей гидрогеологов. В настоящее время эксплуатируется около 430 месторождений подземных минеральных вод, на базе которых функционируют санатории и бальнеолечебницы. Прогнозные ресурсы составляют для углекислых вод 16 м3/с, а для азотных термальных вод 40 м3/с.
Подземные воды, содержащие ценные компоненты, часто называют «жидкими рудами». Они являются важным сырьем для получения различных веществ, и в частности иода, брома, лития, бора, цезия, рубидия, стронция, вольфрама, германия и др., потребность в которых непрерывно растет.
Ресурсы самоизливающихся термальных вод с температурой 50—100 °C и минерализацией до 10 г/л составляют на территории России более 2 млн. м3/сут. На базе термальных подземных вод функционирует Паужетская ГеоТЭС на Камчатке. Проектируются новые геотермальные электростанции в разных районах страны. Потенциальные ресурсы парогидротерм с температурой 150—250 °C на Камчатке и Курилах могут обеспечить работу ГеоТЭС мощностью 800—1000 МВт. Термальные воды широко используются для теплофикации городов и поселков, развития тепличнопарникового хозяйства (Грузия, Ставропольский край, Дагестан, Западная Сибирь, Камчатка и другие районы).
Итак, мы очень кратко рассмотрели характер задач и проблем современной гидрогеологии. Пожалуй, в настоящее время есть основания указать еще на два типа проблем, с которыми гидрогеология, если еще не сталкивается в полную силу, то, по всей видимости, столкнется в ближайшее время, это — проблемы международно-правовые и политические. Первые касаются запасов и охраны подземных вод горизонтов и комплексов, расположенных на территориях разных государств, вторые связаны с борьбой за запасы пресных подземных вод (по аналогии с борьбой за нефтеносные районы).