Тема: Гідрогеологія як наука. Вода в природі.
1. Гідрогеологія. Етапи розвитку гідрогеології.
2. Вода в природі. Кругообіг води в природі.
3. Види води в мінералах і гірських породах.
4. Поняття про скважности і пористості.
1. Гідрогеологія. Етапи розвитку гідрогеології.
Згадаймо визначення науки гідрогеологія. Гідрогеологія - наука про підземні води, що вивчає їх походження, умови залягання і поширення, закони руху, взаємодія з водовмещающими породами, формування хімскладу і ін.
Розглянемо коротко історію розвитку цієї науки.
1.1 Етапи розвитку гідрогеології
В історії вивчення підземних вод в СРСР виділяють 2 періоди:
У дореволюційному періоді можна виділити 3 етапи вивчення підземних вод:
1. накопичення досвіду використання підземних вод (X - XVII ст-в.)
2. перших наукових узагальнених відомостей про підземні води (XVII - середина XIX століття)
3. становлення гідрогеології як науки (друга половина XIX століття і початок XX століття)
У 1914 р на інженерному факультеті Московського сільськогосподарського інституту (нині Московський гідромеліоративний інститут) була організована перша в Росії кафедра гідрогеології.
Період післяреволюційний можна розділити на 2 етапи:
1. довоєнний (1917- 1941 рр.)
Для підготовки інженерів гідрогеологів в 1920 році в Московській гірничій академії була заснована гідрогеологічна спеціальність: дещо пізніше вона була введена і в інших інститутах і університетах. В інститутах стали викладати найбільш видатні вчені гідрогеологи Ф.П. Саваренський, Н.Ф. Льохів, А.Н. Семіхатов, B.C. Ільїн та ін.
До початку першої п'ятирічки (1928р.), А також протягом наступних п'ятирічок гідрогеологічні дослідження проводилися в Донбасі, в Східному Закавказзі, в Середній Азії, на Півночі України, в Казахстані, Туркменії і в багатьох інших областях країни.
Для подальшого розвитку гідрогеології величезне значення мав Перший всесоюзний гідрогеологічний з'їзд, що проходив в 1931р. в Ленінграді.
У 30-х роках вперше було складено зведені карти (гідрогеологічна, мінеральних вод, гідрогеологічного районування), які мали велике значення для планування подальших гідрогеологічних досліджень. У той же час під редакцією Н.І. Толстіхина почали видаватися томи «Гідрогеологія СРСР». До Велико Вітчизняної війни було видано 12 випусків цієї багатотомної праці.
Повоєнний етап характеризується накопиченням матеріалів по глибоко залягає водам.
2. Вода в природі. Кругообіг води в природі.
На земній кулі вода знаходиться в атмосфері, на поверхні землі і в земній корі. В атмосфері вода знаходиться в нижньому її шарі - тропосфері - в різних станах:
Поверхнева вода знаходиться в рідкому і твердому стані. У земній корі вода зустрічається в пароподібному, рідкому, твердому, а також у вигляді гігроскопічної і плівковою води. У сукупності поверхневі і підземні води становлять водну оболонку - гідросферу.
Підземна гідросфера зверху обмежена поверхнею землі, нижня її межа достовірно не вивчена.
Розрізняють великий, внутрішній і малий кругообіг. При великому круговороті, волога випаровується з поверхні океанів, переноситься в формі водяної пари повітряними течіями на сушу, випадає тут на поверхню у вигляді опадів, а потім повертається в моря і океани поверхневим і підземним стоком.
При малому кругообігу волога, що випаровується з поверхні океанів і морів. Тут же випадає у вигляді опадів.
Процес кругообігу в природі в кількісному вираженні характеризується водним балансом, рівняння якого частка замкнутого річкового басейну має вигляд для багаторічного періоду:
X = y + Z-W (по Великанова),
де х - опади на площу водозбору, мм
у - річковий стік, мм
Z - випаровування за вирахуванням конденсації, мм
W - среднемноголетнее харчування глибоких водоносних горизонтів за рахунок опадів або надходження підземних вод на поверхню в межах річкового басейну.
Внутрішній круговорот забезпечується тією частиною води, яка випаровується в межах материків - з водної поверхні річок і озер, з суші і рослинності і там же випадає у вигляді опадів.
3. Види води в мінералах і гірських породах.
Одна з найбільш ранніх класифікацій видів води в гонних породах була запропонована в 1936 році А.Ф. Лебедєвим. У наступні роки запропоновано ряд інших класифікацій. Виходячи з класифікації Лебедєва більшість вчених виділяють наступні види води:
1. Пароподібна вода
Знаходиться в формі водяної пари в повітрі, присутньому в порах і тріщинах гірських порід і в грунті, пересувається разом з струмами повітря. При певних умовах шляхом конденсації може переходити в рідку форму.
Пароподібна вода - єдиний вид, здатний пересуватися в порах при незначній їх вологості.
2. Пов'язана вода
Присутній головним чином в глинистих породах, утримується на поверхні частинок силами, що значно перевищують силу тяжіння.
Розрізняють прочно- і рихлосвязанной воду.
а) прочносвязанная вода (гідроскапіческая) вона знаходиться у вигляді молекул в поглиненому стані, утримується на поверхні частинок молекулярними і електростатичними силами. Вона має високу щільність, в'язкість і пружність, властива тонкодисперсним породам, не здатна розчиняти солі, недоступна для рослин.
б) Рихлосвязанная (плівкова) розташовується над прочносвязанной водою, утримується молекулярними силами, більш рухлива, щільність близька до щільності вільної води, здатна пересуватися від частинок до частинки під впливом сорбційних сил, здатність розчиняти солі знижена.
3. Капілярна вода
Знаходиться в капілярних порах гірських порід, де утримується і пересувається під впливом капілярних (меніскових) сил, що діють на кордоні води і повітря, які перебувають в порах. Вона підрозділяється на 3 види:
а) власне капілярна вода знаходиться в порах у вигляді вологи капілярної заплави над УГВ. Залежно від гранулометричного складу залежить потужність капілярної заплави. Вона змінюється від нуля в галечнику до 4-5 м в глинистих породах. Власне капілярна вода доступна для рослин.
б) підвішена капілярна вода розташовується переважно у верхньому горизонті породи або в грунті і не перебуває в безпосередньому зв'язку з УГВ. При підвищенні вологості породи понад найменшої вологоємкості вода стікає в нижні шари. Ця вода доступна для рослин.
в) вода кутів пір утримується капілярними силами в порах піщаних і глинистих порід в місцях зіткнення їх часток. Ця вода рослинами не використовується, при підвищенні вологості може переходити в підвішену або в власне капілярну.
4. Гравітаційна вода
Підпорядковується силі тяжіння. Рух води відбувається під впливом цієї сили і передає гідростатичний напір. Вона поділяється на 2 види:
а) просочується - вільна гравітаційна вода, що знаходиться в стані спадного руху у вигляді окремих цівок в зоні аерації. Рух води відбувається під впливом сили тяжіння.
б) волога водоносних горизонтів. яка насичує водоносні шари до ПВ. Волога утримується в наслідок водонепроникності водотривкому шару, (подальший виклад відноситься до теми «Гравітаційна вода»).
5. Кристаллизационная вода
Входить до складу кристалічної решітки мінералу, наприклад гіпсу (CaS04 2Н2 О), зберігає молекулярну форму.
6. Вода в твердому стані у формі льоду
Крім вищевказаних шести видів виділяють хімічно зв'язану воду. яка бере участь в будові кристалічної решітки мінералів у формі іонів Н +. ВІН ", тобто не зберігає молекулярної форми.
4. Поняття про скважности і пористості.
Одним з найважливіших гідрогеологічних показників гірських порід служить їх пористість. У піщаних породах виділяють парову пористість, а в міцних - тріщини.
Підземні води заповнюють пори і тріщини в гірських породах. Обсяг всіх пустот в гірській породі називають скважностью. Природно, чим більше шпаруватість, тим більше води може вмістити порода.
Для руху підземних вод в гірських породах велике значення мають розміри пустот. У дрібних порах і тріщинах площу зіткнення води зі стінками порожнин більше. Ці стінки роблять значний опір руху води, тому її рух в дрібних пісках навіть при значних напору утруднено.
Розрізняють шпаруватість гірських порід: капілярну (пористість) і некапілярної.
До капілярної шпаруватості відносять дрібні порожнечі, де вода пересувається головним чином під дією сил поверхневого натягу і електричних сил.
До некапілярної скважности відносять великі, позбавлені капілярних властивостей порожнечі, в яких вода пересувається тільки під дією сили тяжіння і різниці напору.
Дрібні порожнечі в гірських породах називають пористістю.
Розрізняють 3 види пористості:
Загальна пористість кількісно определяется_отношеніем об'емавсех дрібних пустот (включаючи і несообщающейся між собою) до всього обсягу зразка. Виражається в частках одиниці або у відсотках.
де Vn - обсяг пір в зразку гірських порід
V - об'єм зразка
Загальна пористість характеризується коефіцієнтом пористості е.
Коефіцієнт пористості е виражається відношенням обсягу всіх в породі пір до обсягу твердої частини породи (скелета) Vc. виражається в частках одиниці.
Цей коефіцієнт широко використовується особливо при дослідженні
глинистих ґрунтів. Цей пов'язано з тим, що глинисті грунти набрякають при зволоженні. Тому пористість глин краще висловлювати через е.
Коефіцієнт пористості можна виразити таким чином
, розділивши чисельник і знаменник на Vc отримаємо
Величина загальної пористості завжди менше 1 (100%), а величина е може бути дорівнює 1 або бути більше 1. У пластичних глин е коливається від 0,4 до 16.
Пористість залежить від характеру складання частинок (зерен).
До некапілярної скважности відносяться великі пори в грубообломочних породах, тріщини, канали, печери і інші великі пустоти. Тріщини і пори можуть сполучаться між собою або бути подерті.
Відкрита пористість характеризується відношенням обсягу сполучених між собою відкритих пір до всього обсягу зразка.
Для зернистих незцементованих порід відкрита пористість по величині близька до загальної.
Динамічна пористість виражається ставленням до всього обсягу зразка тільки тієї частини обсягу пір, через яку може пересуватися рідина (вода).
Дослідження показали, що не по всьому об'єму відкритих пор відбувається рух води. Частина відкритих пір (особливо на стику частинок) нерідко буває зайнята тонкою плівкою води, яка міцно-міцно утримується капілярними і молекулярними силами і не бере участі в русі.
Динамічна пористість на відміну від відкритої не враховує обсяг пір, зайнятий капілярно-зв'язаною водою. Зазвичай за величиною динамічна пористість менше відкритою.
Таким чином, принципова різниця між охарактеризованими видами пористості полягає (кількісно) в тому, що в зцементованих породах загальна пористість більше відкритої, а відкрита - більше динамічної.
1. Що вивчає наука гідрогеологія?
2. Як здійснюється круговорот води в природі?
3. Назвіть види води, що зустрічається в мінералах і гірських породах.
4. Що називається пористістю? Назвіть її види? Як визначається пористість?
5. Що розумію під скважностью? Назвіть і охарактеризуйте її види.