Гидрогеология и основы геологии

ГИДРОГЕОЛОГИЯ 
И ОСНОВЫ 
ГЕОЛОГИИ

Н.П. КАРПЕНКО
И.М. ЛОМАКИН
В.С. ДРОЗДОВ

Рекомендовано 
Учебно-методическим объединением 
по образованию в области природообустройства 
и водопользования в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению подготовки
«Природообустройство»

Москва
ИНФРА-М
2020

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

УДК 55(075.8)
ББК 26.3я73
 
К26

Карпенко Н.П.
К26 
 
Гидрогеология и основы геологии : учебное пособие / Н.П. Карпенко, И.М. Ломакин, В.С. Дроздов. — Москва : ИНФРА-М, 2020. — 
328 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/textbook_59b0ffb95a7ec1.13829369.

ISBN 978-5-16-012799-6 (print) 
ISBN 978-5-16-106192-3 (online)

В учебном пособии изложены основы геологии, приведены общие сведения о Земле, ее форме, строении, характеристиках и свойствах; рассмотрены минералы и горные породы и даны их классификации. Рассмотрены 
методы определения возраста горных пород, основные геологические эндогенные и экзогенные процессы.  Приведены сведения о гидрогеологии, 
рассмотрены виды вод в минералах и горных породах и даны основы гидрогеологической стратификации. Особое внимание уделено физическим 
свойствам, химическому составу и законам движения подземных вод, методам определения их гидрогеологических параметров, а также вопросам 
охраны подземных вод от их истощения и загрязнения.
Пособие соответствует требованиям Федерального государственного 
образовательного стандарта высшего образования последнего поколения.
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 20.03.02 «Природообустройство и водопользование», 21.03.02 «Землеустройство и кадастры», 05.03.06 «Экология и природопользование», 20.03.01 «Техносферная безопасность», 08.03.01 
«Строительство» (квалификация «бакалавр»).
УДК 55(075.8)
ББК 26.3я73

ISBN 978-5-16-012799-6 (print) 
ISBN 978-5-16-106192-3 (online)
© Карпенко Н.П., Ломакин И.М., 
Дроздов В.С., 2018

Р е ц е н з е н т ы:
Кирейчева Л.В., доктор технических наук, профессор, научный руководитель направления, заведующий отделом природоохранных и информационных технологий ФГБНУ «ВНИИГиМ имени А.Н. Костякова»;
Раткович Л.Д., кандидат технических наук, профессор кафедры комплексного использования водных ресурсов и гидравлики ФГБОУ ВО 
«РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева»

А в т о р ы:
Карпенко Н.П., доктор технических наук, профессор кафедры гидрологии, гидрогеологии и регулирования стока ФГБОУ ВО «РГАУ-МСХА 
имени К.А. Тимирязева»;
Ломакин И.М., кандидат геолого-минералогических наук, профессор 
кафедры гидрологии, гидрогеологии и регулирования стока ФГБОУ ВО 
«РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева»;
Дроздов В.С., кандидат геолого-минералогических наук, доцент кафедры гидрологии, гидрогеологии и регулирования стока ФГБОУ ВО 
«РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева»

ПРЕДИСЛОВИЕ

При проектировании объектов природообустройства и инженерных систем возникает ряд вопросов, связанных с изучением общих природных (геологических и гидрогеологических) условий,
способных оказать влияние на проектируемые сооружения; оценкой развития гидрогеологических и инженерно-геологических
процессов, возникающих при функционировании объектов природообустройства; выявлением и количественной оценкой деформаций, возникающих в фундаментах и основаниях сооружений.
Решение подобных задач входит в компетенцию таких основных
дисциплин, как «Геология», «Гидрогеология» и «Инженерная геология».
Настоящее учебное пособие составлено по материалам лекционного курса «Геология и основы гидрогеологии», который читается
авторами более 30 лет для студентов различных курсов и направлений подготовки.
Данное учебное пособие рекомендуется прежде всего для подготовки бакалавров первого, второго и третьего курсов, обучающихся
по направлениям подготовки 20.03.02 «Природообустройство и водопользование», 21.03.02 «Землеустройство и кадастры», 05.03.06
«Экология и природопользование», 20.03.01 «Техносферная безопасность», 08.03.01 «Строительство».
При написании книги были использованы учебники и учебные пособия для курсов «Геология», «Гидрогеология», «Геология
и основы гидрогеологии», «Инженерная геология», «Геоэкология»
и ряда других дисциплин, а также справочники и справочные руководства, научные монографии и другие материалы.
Учебное пособие «Гидрогеология и основы геологии» составлено в соответствии с требованиями Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования по направлению подготовки «Природообустройство и водопользование»
(квалификация «бакалавр»).
В подготовке рукописи учебного пособия к изданию участво
вали сотрудники кафедры гидрологии, гидрогеологии и регулирования стока: раздел I написан доктором технических наук, профессором Н.П. Карпенко и кандидатом геолого-минералогических
наук, доцентом В.С. Дроздовым, раздел II — доктором технических
наук, профессором Н.П. Карпенко и кандидатом геолого-минералогических наук, профессором И.М. Ломакиным. Общее руко

водство авторским коллективом осуществляла доктор технических 
наук, профессор Н.П. Карпенко.
Авторы учебного пособия «Гидрогеология и основы геологии» 
будут признательны за любые отзывы и замечания, направленные 
на улучшение его содержания.

ВВЕДЕНИЕ

Геология — наука о строении, происхождении, развитии, формах,

размерах, физических свойствах и химическом составе Земли,
т.е. геология (от греч. geo — Земля, logos — учение) — наука о Земле.
В становлении геологии большую роль сыграли зарубежные

и отечественные ученые, которые внесли большой вклад в ее достижения. Основоположниками этой науки следует считать А. Вернера, Д. Геттона, Ч. Лайеля, М.В. Ломоносова, В.И. Вернадского,
А.П. Карпинского, А.Е. Ферсмана, А.П. Павлова, В.А. Мушкетова,
В.А. Обручева, Н.М. Страхова и др.
Большую роль в становлении гидрогеологии и инженерной геологии сыграли научные труды Ф.П. Саваренского, А.Ф. Лебедева,
Г.Н. Каменского, В.А. Приклонского, И.В. Попова, Л.Д. Белого,
О.К. Ланге, А.Н. Семихатова, Е.М. Сергеева, Г.С. Золотарева и др.

Современная геология — это комплексная наука, которая включает ряд самостоятельных дисциплин:
• науку о полезных ископаемых (занимается поиском, разведкой,

оценкой и эксплуатацией полезных ископаемых, используемых
в качестве минерально-сырьевых ресурсов);

• геотектонику (науку о строении земной коры, геологических

структурах и закономерностях их расположения и развития,
о деформациях и движениях земной коры и движениях литосферных плит);

• динамическую геологию (науку о процессах, протекающих

внутри Земли и на ее поверхности);

• историческую геологию (науку об истории и закономерностях

развития Земли с момента ее образования до настоящего времени, которая изучает изменения физико-географических
условий в различные периоды жизни Земли);

• палеонтологию (науку об ископаемых остатках растений, животных, которые встречаются в осадочных отложениях земной
коры и показывают возраст горных пород, решая вопросы геохронологии земной коры);

• геохимию (науку о закономерностях распределения (концентрации и рассеяния) и процессах миграции химических элементов в земной коре и в Земле в целом, включающую собственно минералогию (науку о минералах); кристаллографию
(науку, изучающую кристаллы и кристаллическое состояние вещества); петрографию (науку о горных породах и природных

минеральных ассоциациях) и литологию (науку об осадочных
горных породах);

• гидрогеологию (науку о подземных водах, их формировании,

происхождении, движении и свойствах, режиме и балансе, роли
в народном хозяйстве и т.д.);

• инженерную геологию (науку об изменениях свойств горных

пород при инженерной деятельности, занимающуюся изучением горных пород в качестве основания и среды для сооружений. Инженерная геология включает грунтоведение, механику грунтов и мерзлотоведение);

• геофизику (науку, изучающую физические явления и процессы,

происходящие в Земле, включающую методы сейсморазведки,
магниторазведки, гравиразведки и электроразведки, которые
активно и широко применяются во многих практических задачах геологии).
В последние годы весьма актуальным становится такой раздел

геологии, как геоэкология — междисциплинарная комплексная
наука, рассматривающая роль геологических условий как элемента
среды обитания человека и изучающая внешние и внутренние геосферные оболочки Земли и их экологические функции (литосферу,
гидросферу, атмосферу).

Раздел I 
ОСНОВЫ ГЕОЛОГИИ

Глава 1 
ОбщИЕ СВЕДЕНИя  

О ЗЕмЛЕ И ВСЕЛЕННОй

1.1. ПРОИСхОжДЕНИЕ ЗЕмЛИ И ПЛаНЕт  
СОЛНЕчНОй СИСтЕмЫ

По современным представлениям происхождение Земли является частью процесса происхождения и развития Вселенной, начавшегося около 13,7 млрд лет назад с события, называемого Большим
Взрывом.
Предполагается, что вся имевшаяся материя была первоначально сконцентрирована в некотором небольшом объеме, пребывала в сверхплотном состоянии, обладала очень большой внутренней энергией и температурой и находилась при этом в равновесии.
В какой-то момент за счет внутреннего саморазвития равновесие
было потеряно, энергия реализовалась в виде колоссального взрыва
и частицы материи, представлявшие собой потоки элементарных
частиц, полетели во все стороны с огромной скоростью. Силы гравитации постепенно соединили в различные по размеру сгустки
отдельные части разлетающейся материи. Элементарные частицы
начали соединяться в атомы и молекулы, и сгустки материи постепенно превратились в галактики, звезды и планеты. На это ушло
примерно 10 млрд лет. Физические расчеты показывают, что процесс консолидации материи, находящейся в газообразном, пылеватом и плазменном состоянии, неизбежно сопровождается раскручиванием.
Из подобного сгустка раскаленной материи сформировались

наша Галактика, Солнечная система и планета Земля. Этот этап истории Земли называется догеологическим.
Возраст Земли оценивается в 4,57 млрд лет, когда по представлениям астрономов и геологов из газо-пылеватого облака выделились Солнечная Система и некоторое определенное небесное
тело — протоземля [10, 15].

Характеристики Солнечной системы приведены ниже:

Расположение.................................................. Галактика Млечный Путь
Расстояние до центра галактики, световых лет..............................27 170
Период обращения, млн лет.........................................................225–250
Орбитальная скорость, км/с.........................................................220–240
Граница влияния тяготения Солнца, световых лет............................1–2
Ближайшая звезда .....................................................Проксима Центавра
Расстояние до планеты Земля, а.е.1......................................................... 1
Число известных планет .....................................................8, возможно 9
Число карликовых планет........................................................................ 5
Число спутников ........................ 415 (172 у планет, 243 у малых планет)
Число малых тел............................................700 тыс. (на ноябрь 2016 г.)
Число комет.........................................................3441 (на ноябрь 2016 г.)

Солнечная система включает центральную звезду — Солнце

и многочисленные космические объекты, вращающиеся вокруг
него. На Солнце приходится 99,866% массы всей системы.
Четыре внутренние планеты (земная группа) — Меркурий, Венера, Земля, Марс и пояс астероидов состоят в основном из силикатов и металлов. Четыре внешние планеты — Юпитер, Сатурн,
Уран, Нептун — газовые гиганты, они более массивны, чем планеты земной группы. Юпитер и Сатурн состоят главным образом
из водорода и гелия, а в составе Урана и Нептуна значительная
часть — это метан и окись углерода.
Меркурий — ближайшая к Солнцу и самая маленькая по размерам планета Солнечной системы. Атмосфера Меркурия очень разряжена (по сравнению с земной), состоит из атомарного водорода,
гелия и небольшого количества кислорода, ее мощность приблизительно равна 600 км. Средняя плотность Меркурия ρ = 5,42 г/см3,
температура на поверхности колеблется от +500°С на дневной стороне до -180°С на ночной стороне. Среднее расстояние от Меркурия до Солнца — 58 млн км = 0,38 а.е.
Венера — ближайшая соседка Земли, она хорошо наблюдается

невооруженным глазом. Продолжительность суток на Венере составляет 243 земных суток, а удалена она от Солнца на 0,72 а.е.
Плотность Венеры ρ = 5,25 г/см3. В отличие от других планет ее
суточное вращение происходит в противоположную сторону.
На Венере отсутствует магнитное поле, а атмосфера на 90–95% состоит из углекислого газа, количество кислорода не превышает 0,4%.
Температура на дневной поверхности Венеры составляет около
500°С, давление — 100 атм.

1 
Астрономическая единица — а.е. 1 а.е. = 150 млн км.

Земля — планета, которая располагается между Венерой

и Марсом. Среднее значение ее плотности ρ = 5,52 г/см3. У Земли
единственный спутник — Луна, обладающая корой, мощность которой достигает 25 км. Температура на поверхности Луны изменяется от +130°С на дневной поверхности до -180°С на ночной поверхности.

Марс находится на расстоянии 1,52 а.е. от Солнца. Полный

оборот он совершает за 687 земных суток. Диаметр Марса составляет 6780 км, а его плотность ρ = 3,94 г/см3. У Марса два спутника — Фобос и Деймос. Планета Марс имеет атмосферу, которая
по химическому составу отличается от земной: 95,3% углекислого
газа с небольшой примесью (2,7%) азота, водяные пары и кислород.
Температура на Марсе составляет от -71°С до +24°С, т.е. близка
к земной. Ученые предполагают наличие на поверхности Марса литосферы мощностью до 30 км.
Юпитер — самая большая планета Солнечной системы.

По объему Юпитер превосходит Землю почти в 1300 раз, а по
массе — в 318 раз. Юпитер обладает мощной силой притяжения
и может удерживать вокруг себя легкие газы. Атмосфера Юпитера
состоит из водорода и его соединений (метана, аммиака, гелия),
присутствуют углекислый газ и водяной пар. На долю водорода
приходится 74%, а гелия — 26%. Юпитер имеет 16 спутников, скорость его вращения вокруг Солнца — около 13 км/с. Юпитер делает
один оборот примерно за 12 земных лет. Большая плотность Юпитера дает основание предполагать, что он состоит не только из водорода и гелия — в его ядре присутствует железо. Установлено, что
на поверхности Юпитера имеется интенсивное магнитное поле, которое в 40 раз сильнее земного, а температура на его поверхности
составляет -140°С.
Сатурн — планета внешней группы. Его поверхность не видна

из-за плотного слоя атмосферы, которая состоит из метана и водорода. Температура наружного слоя атмосферы очень низка и составляет -180°С. Особенностью Сатурна являются его кольца
(внешние и внутренние), состоящие из мельчайших метеоритов
и космической пыли. Масса планеты превышает земную в 95 раз,
период обращения Сатурна вокруг Солнца — 29,5 земных лет.
Уран и Нептун — планеты, похожие друг на друга по размеру

и плотности. По диаметру они примерно в 4 раза больше Земли,
а по массе — примерно в 15 раз. Предполагается, что внутри Урана
содержится повышенное количество гелия. Плотность планет —
1,27 и 1,64 г/см3 соответственно.

Пояс астероидов находится между орбитами Марса и Юпитера.

Его крупнейшими объектами являются карликовая планета Церера
и астероиды Паллада, Веста и Гигея.
За орбитой Нептуна располагаются транснептуновые объекты,

состоящие из замерзшей воды, аммиака и метана. Крупнейшие
из них — Плутон, Седна, Хаумеа, Макемаке, Квавар, Орк и Эрида.
Сюда относится пояс Койпера — область реликтов времен образования Солнечной системы, который является большим поясом осколков, подобным поясу астероидов, но состоящих в основном изо
льда. Простирается он между 30 и 55 а.е. от Солнца. Его суммарная
масса оценивается в 0,01–0,1 массы Земли.

1.2. мЕтОДЫ ИЗучЕНИя ГЛубИННОГО СтРОЕНИя ЗЕмЛИ

Рассмотрим сначала методы и источники информации о глубинном строении Земли.
Бурение. Всем хорошо известны эти методы, однако далеко

не все представляют их возможности и масштабы. Скважины глубиной 3–7 км считаются глубокими, более 7 км — сверхглубокими.
Практически все они пробурены в научных целях. Самая глубокая
в мире Кольская сверхглубокая скважина глубиной 12 262 м была
пробурена в Советском Союзе. Бурение было начато в 1970 г., прерывалось из-за аварий и прекращено в 1992 г. Первоначально предполагалось пробурить 15 км.
Бурение глубоких скважин — очень дорогое и продолжительное

мероприятие. Бурение в научных целях усложняется необходимостью постоянного отбора образцов пород, поэтому оно под силу
только богатым странам с развитой экономикой (рис. 1.1).
В мире сооружается довольно много (сотни в год) менее глубоких (от сотен метров до нескольких километров), но тоже довольно значительных скважин для поиска и добычи нефти, газа
и других полезных ископаемых. В год сооружаются многие тысячи
скважин для водоснабжения и изысканий. Изыскательские скважины имеют целью изучение разреза и отбор образцов для проектирования и строительства. Их глубина — от нескольких метров
до нескольких десятков метров. Любые скважины весьма полезны
для изучения глубинного строения Земли, особенно тем, что позволяют непосредственно получать образцы пород, но одного бурения явно недостаточно.
Горные выработки — шахты и карьеры. Они дают очень много

полезной информации, горные породы в них доступны для непо