1. Подземные воды как элемент гидросферы Земли

Составитель: Н.В. Осинцева

Источники:Всеволжский В.А. Основы гидрогеологии. М.: Изд-во МГУ, 2007.- 448 с.Шварцев С.Л. Общая гидрогеология. М.: Недра, 1996. – 423 с.Леонова А.В. Основы гидрогеологии и инженерной геологии. Томск: Изд-во ТПУ, 2011.- 147 с.

Подземные воды – элемент гидросферы Земли

конспект лекций

Гидрогеология

Наука, которая изучает подземные воды планеты: закономерности их распространения в земной коре, условия залегания и движения, свойства и состав, взаимодействие с горными породами, а также условия и возможность хозяйственного использования.

Теоретические разделы гидрогеологии

O Региональная гидрогеология – изучает закономерности распространения подземных вод в земной коре.

O Гидрогеодинамика – исследование законов движения подземных вод

O Гидрогеохимия – исследует формирование химического состава подземных вод и миграцию химических элементов в подземной гидросфере

O Гидрогеотермия – исследование термических свойств и процессов теплопереноса подземными водами

O Палеогидрогеология – происхождение и история развития подземной гидросферы

Прикладные разделы гидрогеологии

O Оценка ресурсов подземных вод – поиски месторождений подземных вод и их оценка

O Гидрогеология месторождений полезных ископаемых – гидрогеологические методы поиска месторождений полезных ископаемых

O Мелиоративнная гидрогеология – гидрогеологические исследования при проектировании мелиоративных систем

O Инженерная гидрогеология – гидрогеологические изыскания при проектировании и строительстве инженерных сооружений

O Экологическая гидрогеология – охрана подземных вод

O Мониторинг подземных водных объектов – систематические многолетние наблюдения за состоянием и изменением подземных вод

Объект исследованиягидрогеологии

Подземные воды - часть гидросферы планеты, включающая воды, расположенные в пределах земной коры.

Синонимы:Подземная гидросфера (по Ф.П. Саваренскому)Гидрогеосфера (по Н.И. Плотникову)

Саваренский Федор Петрович1881-1946

академик АН СССР,выдающийся специалист в области

гидрогеологии, инженерной геологии

Подземные воды

– часть гидросферы

Земли

Элементы гидросферы

Объем, тыс. км3

Доля запасов, % 

Мировой океан  

1 476 000 94,32

Подземные воды  

60 000 3,83

Ледники и мерзлота  

30 000 1,92

Озера, водохранилища и болота  

290 0,02

Почвенная влага  

16 0,001

Воды рек  

2 0,0001

Влага атмосферы  

14 0,0008

Гидросфера – оболочка

Земли, объединяющая

воды Мирового океана,

подземные воды и

поверхностные воды суши

Объем гидросферы Земли(Р. К. Клиге и др., 1988)

Объем воды,

содержащийся в

гидросфере,

составляет около

1500 млн. км3.

Из них на подземные

воды приходится

около 4%

Формирование гидросферы

Основная масса воды (до 90%) сформировалась в архейскую эру. Согласно другой теории, формирование первичных (ювенильных) вод происходило равномерно на протяжении геологической истории Земли со средней скоростью 0,5 км3/год.

Способы формирования первичных вод:

O Дегазация мантии, взаимодействие летучих газов (H2, O2) с образованием молекулы Н2О.

O Поступление воды с астероидными телами (метеоритами).

O Синтез атомов Н и О в верхних слоях атмосферы и их последующее взаимодействие.

Виды воды в горных породахВода в

свободном состоянии

Водяной пар

Гравитационная вода

Вода в надкритическом

состоянии

Вода в связанном состоянии

Химически связанная с кристаллической

структурой минералов

Физико-химически связанная с

поверхностью минеральных частиц

В переходном состоянии от

связанной к свободной

Иммобилизованная (вакуольная)

В твердом состоянии

Различия в свойствах свободной и связанной водыТемпература замерзания связанной воды ниже, чем свободной (-1 до -100°С).

Связанная вода характеризуется существенно отличными значениями вязкости, теплоемкости, электропроводности и др.

Связанная вода имеет значительно более низкую растворяющую способность.

Связанная вода не передает гидростатического давления и не передвигается под действием силы тяжести.

Строение подземной гидросферы

Принципиальный гидрогеологический разрез земной коры

(В.А. Всеволжский, 2007)

I – зона аэрацииII – криолитозонаIII – зона полного насыщенияIV – подземные водыв надкритическом состоянии

Зона аэрацииO Зона аэрации – верхняя не полностью насыщенная

водой (ненасыщенная) часть разреза горных пород.

O Мощность зоны аэрации изменяется от первых см на равнинах до 200–250 м и более в горных районах.

O Верхняя граница зоны аэрации – земная поверхность, нижняя граница – уровень подземных вод первого водоносного горизонта.

O Отсутствует под руслами рек и внутренних водоемов, а также в пределах акватории Мирового океана.

КриолитозонаO Криолитозона это подземная гидросфера в области

распространения многолетнемерзлых пород. Она охватывает зону аэрации (полностью или частично) и верхнюю часть зоны полного насыщения.

O Мощность криолитозоны изменяется от первых метров до 1000–1500 м.

O Основная масса подземных вод в пределах критолитозоны находится в твердом состоянии (лед, газовые гидраты), а также в виде физически связанной воды, промерзание которой происходит при отрицательных температурах.

O Свободная гравитационная вода в криолитозоне имеется в областях распространения талых горных пород, а также в связи с повышенной минерализацией.

Зона полного насыщения

O Зона полного насыщения – это зона, в пределах которой свободное пространство в горных породах (поры, трещины, пустоты) полностью заполнено свободной гравитационной водой и физически связанной водой.

O Охватывает часть разреза земной коры от уровня первого водоносного горизонта (нижняя граница зоны аэрации) до глубин 8–20 км, на которых температура и давление водных растворов достигают критических значений.

Зона подземных вод в надкритическом состоянии

O Располагается ниже зоны полного насыщения до границы с верхней мантией. Мощность этой зоны в пределах континентов достигает 20–30 км.

O Вода в пределах этой зоны имеет температуру и давление выше критических. Для чистой воды критическая температура составляет 374°С, критическое давление 2,2х104 кПа.

O Вода в надкритическом состоянии представляет собой газово-жидкий раствор (флюид), обладает пониженной вязкостью, уменьшенным рН, повышенной электропроводностью, становится активным растворителем.

Движение подземных водПодземные воды участвуют в круговоротах вещества и энергии:

геологический круговорот, круговорот воды, биогеохимические циклы

Схема круговорота воды

Движение подземных вод

http://survinat.ru/2010/10/chto-takoe-biologicheskij-krugovorot

Подземные воды участвуют в биогеохимических циклах (биологическом круговороте вещества)

Движение подземных водПодземные воды участвуют в литосферном

(геологическом) круговороте.

O Захоронение и связывание воды в процессе формирования осадков в водной среде (водоемы на суше, моря, океан)

O Отжатие поровых растворов.

O Высвобождение связанных вод при метаморфизации осадочных горных пород и связанное с этим формирование свободных вод.

O Поглощение океанических вод в пределах рифтовых зон океана, их трансформация и перемещение в составе горных пород

O Дегидратация пород при их погружении в районах глубоководных желобов.

Участие подземных вод в геологическом круговороте

Гидрогеологический круговорот

Является частью общего круговорота воды

Объединяет движение парообразной, свободной и связанной воды, переходы воды из одного фазового состояния в другое.

Связывает процессы, происходящие в атмосфере, гидросфере, земной коре и мантии

Взаимосвязь гидрологического и геологического круговоротов воды в земных

недрах(по Е.В. Пиннекеру, 1980)

Движение водыВ зоне аэрации – движение парообразной,

просачивающейся и физически связанной воды. Переходы из одного фазового состояния в другое.

В зоне полного насыщенияO до глубины 300-500 м – система местных потоков,

определяемая рельефом, взаимодействием с поверхностными водами и атмосферой.

O до глубины 3000-5000 м – система региональных потоков, определяемая крупными формами рельефа (морфоструктурами).

O глубже 3000-5000 м – субвертикальные потоки, связанные с зонами повышенной трещиноватости и проницаемости, поступлением мантийных флюидов.

O Формирование гидрогеологического и геологического круговоротов происходит не изолированно, а в условиях их тесного и постоянного взаимодействия.

O Гидрогеологический круговорот – часть глобального круговорота воды на планете.

O Подземные воды – часть гидросферы, тесно взаимодействующая с другими ее элементами