Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Гидрогеология России

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 791115.01.99
Изложены научные основы гидрогеологии России и гидрогеологических бассейнов регионов. Дана гидрогеологическая технология многоуровневого моделирования разведки, эксплуатации и добычи подземных вод на различных стадиях гидрогеологических, геофизических, геохимических и экологических исследований. Рассмотрены внутренние и внешние параметры природных гидрогеологических объектов как единое комплексное сочетание составных частей баланса подземных естественных гидрогеологических систем. Обоснованы цели и задачи экологического многомерного моделирования гидрогеологических бассейнов. Для специалистов ТЭК в области поисков, разведки и добычи природного сырья. Может быть полезно аспирантам и преподавателям вузов.
Серебряков, А. О. Гидрогеология России : монография / А. О. Серебряков. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 204 с. - ISBN 978-5-9729-0981-0. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1902074 (дата обращения: 16.07.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.

А. О. Серебряков







            ГИДРОГЕОЛОГИЯ РОССИИ



Монография

















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 556.3
ББК 26.35
      С32

Рецензенты: доктор геолого-минералогических наук, профессор, главный специалист НИИ «ЛУКОЙЛ-Инжиниринг», академик МАМР, член-корреспондент РАЕН (г. Москва) Бочкарев А. В.;
доктор геолого-минералогических наук, профессор, главный научный сотрудник НВНИИГГ, действительный член АГН, заслуженный геолог России (Саратовский государственный университет, г. Саратов) Навроцкий О. К.


      Серебряков, А. О.
С32 Гидрогеология России : монография / А. О. Серебряков. - Москва ;
      Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 204 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0981-0

      Изложены научные основы гидрогеологии России и гидрогеологических бассейнов регионов. Дана гидрогеологическая технология многоуровневого моделирования разведки, эксплуатации и добычи подземных вод на различных стадиях гидрогеологических, геофизических, геохимических и экологических исследований. Рассмотрены внутренние и внешние параметры природных гидрогеологических объектов как единое комплексное сочетание составных частей баланса подземных естественных гидрогеологических систем. Обоснованы цели и задачи экологического многомерного моделирования гидрогеологических бассейнов.
      Для специалистов ТЭК в области поисков, разведки и добычи природного сырья. Может быть полезно аспирантам и преподавателям вузов.

                                                              УДК 556.3
                                                              ББК26.35






ISBN978-5-9729-0981-0

       © Серебряков А. О., 2022
                               © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                               © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

Введение


    Актуальность работы обусловлена тем, что начало XXI века характеризуется проявлением качественно новых задач перед человечеством, называемых глобальными проблемами, обусловленных ускорением индустриализации общества и развитием острого дефицита природного сырья, а также быстро растущей масштабностью экологических явлений. Учитывая это, науки России претерпевают постоянное совершенствование в подготовке дополнительных источников природного сырья подземной гидросистемы, вследствие чего теоретические знания трансформируются для развития универсальных компетенций и профессиональных знаний и умений в области гидрогеологии. Работа позволяет дополнить методическую базу для успешной работы специалистов в области гидрогеологии, геологии полезных ископаемых, инженерной геологии, геохимии и других составных частей науки о Земле в секторах инновационной и реальной экономики. Работа соответствует развитию и освоению знаний при поддержке Агентства стратегических инициатив и целям Федерального проекта «Кадры для цифровой экономики», разрабатываемым для гидрогеологии России.
    Цель работы состоит в расширении теоретических основ гидрогеологии как отрасли «Науки о Земле», способствовать развитию индивидуальных компетенций к самостоятельной работе по поискам, разведке и добыче подземных вод на гидрогеологических промыслах и скважинах.
    Научная новизна работы подтверждается тем, что изложенные технологии моделирования природных гидрогеологических систем являются высокоэффективными методами увеличения экономического потенциала промышленности и осуществлять прямые поиски и освоение перспективных гидрогеологических бассейнов и водоносных систем. Новизна многомерного моделирования гидрогеологических систем заключается в том, что водоносные объекты подземных вод содержат важнейшие природные полезные ископаемые, которые необходимо использовать человечеством в качестве дефицита сырья и энергоносителей для жизнеобеспечения и прогнозирования направлений и объемов функционирования мировой экономики.
    Обоснованные в работе технологии моделирования гидрогеологических бассейнов России позволяют оценивать и оперативно учитывать существующие до настоящего времени экономические и экологические неопределенности поисков, разведки, извлечения и добычи подземных вод, а также инжекцию в них технических и технологических неперерабатываемых отходов деятельности человечества. Постоянное совершенствование знаний о вечно мигрирующих подземных системах гидрогеологических бассейнов затрудняет з

планирование технических и инвестиционных затрат в освоение подземных вод. Гидрогеологическое моделирование выполняет функции интеграции разобщенных горно-геологических, геодинамических, геохимических знаний, необходимых для активного вовлечения подземной гидросферы в промышленное развитие. Сложности гидрогеологического моделирования обусловлены тем, что постоянно изменяющиеся и мигрирующие подземные воды представлены сочетаниями сложных систем гидродинамики и гидрохимии, состава и свойств водовмещающих (материнских) пород на больших глубинах, недопустимых для визуального и органолептического контроля. Гидрогеологическое моделирование исследует взаимодействие внешних факторов бассейновых систем (глубины, давление пород, геотермия, тектогенез и др.) и внутренних факторов (гидродинамика, гидрохимия, литосфера, геологическая структура объектов) на стыке естественных наук и техногенных систем.
    Задачи работы заключаются в совершенствовании знаний о природных водах в недрах России, их свойствах и важности для жизнеобеспечения человечества, ресурсах подземных вод, технологиях их разведки и добычи, обосновании прогноза направлений и масштабов освоения гидрогеологического сырья. Задачами «Гидрогеологии России» являются:
   1. Обоснование научно-теоретического и практического значения природных гидрогеологических водоносных систем подземных вод.
   2. Изучение и освоение основных положений и фундаментальных понятий моделирования природных гидрогеологических систем.
   3. Выделение генетических этапов формирования подземных вод, их гидродинамики и гидрохимии.
   4. Выявление диалектической взаимосвязи внутренних и внешних геологических, литологических и тектонических факторов подземной среды как частей единой гидрогеологической системы.
   5. Определение задач гидрогеологического моделирования при планировании и анализе экономической эффективности инвестирования на развитие масштабов и направлений освоения гидросырья подземных вод.
    Изучение «Гидрогеологии России» позволяет формировать у специалистов следующие компетенции:
    а)     общеобразовательные: способности к гидрогеологической и экологической самоорганизации и гидрогеологическому самообразованию;
    б)     общепрофессиональные: владение знаниями о современном гидрогеологическом строении природных систем гидрогеологических бассейнов России на основе основных положений природных законов и методов естественных наук;

4

    в)     производственные: умение применять на практике и в промышленности гидрогеологические и экологические профессиональные знания и навыки моделирования гидрогеологических, сейсмических, литологических, геохимических, гидрогеологических работ при решении производственных и научных задач при добыче и переработке природного сырья подземных вод.
    Для внедрения практических и теоретических задач, изложенных в работе для освоения природных гидрогеологических систем, специалисты должны:
    1) Знать:
   -  принципы и знания процессов гидрогеологической и экологической самоорганизации и гидрогеологического самообразования для повышения квалификации;
   -  основы гидрогеологии и экологии природных гидрогеологических систем;
   -  технологии анализа промысловых гидрогеологических материалов на основе моделирования естественных систем, а также основных положений базовых законов науки;
   -  навыки практического применения профессиональных гидрогеологических и экологических знаний при решении производственных и научных задач;
   -  методы внедрения в промышленности технологий гидрогеологических, литологических, геохимических моделей при решении производственных и научных задач.
    2) Уметь:
   -  обобщать, анализировать и моделировать промысловые материалы о современном гидрогеологическом и экологическом строении гидрогеологических природных систем на основе знаний базовых законов естественных наук;
   -  изучать научную и промысловую цифровую информацию о состоянии разведки, разработки и эксплуатации подземных вод природных систем;
   -  самостоятельно применять на практике базовые гидрогеологические и экологические профессиональные знания при решении производственных и научных задач по освоению гидроминеральных ресурсов;
   -  внедрять на практике навыки гидрогеологических, геофизических, литологических, геохимических и гидрогеологических работ при эксплуатации природных водоносных систем.
    3) Владеть:
   -  способностью гидрогеологической и экологической самоорганизации и гидрогеологическому самообразованию;

5

   -  умением моделирования гидрогеологической разведки и промысловых исследований на основе знаний основных положений естественных наук;
   -  основными знаниями гидрогеологических и естественных наук;
   -  способностью внедрять в промышленности профессиональные технологии моделирования для решения производственных и научных задач гидрогеологии;
   -  применять в промысловой практике экологическое, геологическое, литологическое, геохимическое и гидрогеологическое моделирование при выполнении производственных и научных задач.
     Производственное значение изучения «Гидрогеологии России» состоит в умении разрабатывать и внедрять рекомендации для формирования экономически обоснованных стратегических направлений и масштабов освоения природных подземных гидрогеологических систем технологиями научного моделирования перспективного длительного планирования инвестиций в разведку и добычу природного сырья гидрогеологических систем с учетом рыночной макроэкономической конъюнктуры, качественных и количественных показателей внутреннего и мирового рынка.
     Методами гидрогеологического изучения природных водоносных подземных систем являются научные исследования, анализ и интерпретация материалов поисков и освоения новых перспективных гидрогеологических объектов и площадей, сочетания водоносных пород и слоев, состава и свойств добываемого продуктивного сырья. Для выполнения гидрогеологического моделирования применяются аналоговые картографические и сравнительноаналитического материалы, используются программные пакеты Starts Surfer, Landmark: Open Works, Geographic, Roxor и другие.
     Работа предназначена аспирантам, магистрантам и студентам направлений «Науки о Земле», «Гидрогеология», «Общая и региональная геология», «Гидрохимия», «Экология» и др., специалистам ТЭК в области разведки и эксплуатации подземных вод, для обоснования направлений и объемов инвестиций, проектирования гидрогеологических объектов, оценки экономической и экологической эффективности освоения природного сырья.

б

ГЛАВА 1. ИСТОРИЧЕСКАЯ ГИДРОГЕОЛОГИЯ

     Экономическая и культурная деятельность, а также жизнеобеспечение современного общества тесно связана с использованием природных вод, поэтому глобальное и оперативное знания состояния водных ресурсов и прогнозное предвидение изменений в их режиме являются первостепенной необходимостью.
     Население земного шара к 2100 г. должно достигнуть, по прогнозам демографов, примерно 20 миллиардов человек. Вопрос, хватит ли воды в будущем для удовлетворения потребностей быстро растущего населения и хозяйства, принадлежит к числу наиболее злободневных. Отдельные специалисты высказывают мнение, что в ближайшие 20-30 лет традиционные источники водных ресурсов - речные воды - будут исчерпаны и что в связи с этим нужно искать другие, отличные от имеющихся в настоящее время путей обеспечения потребностей в воде. С ростом численности населения и городов, развитием различных отраслей промышленности, увеличением расхода воды на производство продуктов проблемы обеспечения водой населения с каждым годом усложняются.
     Рациональное использование и охрана природных вод предполагает внедрение методов научно обоснованного управления природными ресурсами, в основе которого лежит глубокое знание законов природы. Философы подчеркивают: «... пока мы не знаем закона природы, он, существуя и действуя помимо, вне нашего познания, делает нас рабами «слепой необходимости».

1.1. Гидрогеология как наука и промышленность

     Гидрогеология (гр. hydro - вода, geo - земля, logos - слово, учение) - это научно-техническое направление (отрасль) Науки о Земле, изучающее генезис (гр. genos - рождение), т. е. происхождение, миграцию (лат. migration - переселение), т. е. движение, а также физико-химические свойства подземных вод, закономерности формирования (лат. forma - вид, очертание, строение) и условия распространения подземных вод в осадочных породах земной коры, которые связаны с литосферой, геоморфологией, гидрологией и геологической историей развития Земли.
     Подземные воды формируются и накапливаются в порах пород, которые называются водоносными коллекторами (лат. collectivus - собирательный). Все онтогенные (лат. ontos - сущее) процессы от зарождения до формирования объектов протекают в водной среде, т. к. подземные воды находятся в непрерывном движении и изменении.


7

      В зависимости от применения и решения практических и теоретических задач, выделаются следующие разделы гидрогеологии:
   а. Теоретическая, разрабатывающая законы происхождения и формирования подземных вод.
   б. Историческая, освещающая становление и развитие гидрогеологии.
   в. Общая, изучающая общие условия залегания, миграции и состава подземных вод.
   г. Поисково-разведочная, осуществляющая поиски и разведку подземных вод.
   д. Гидротермальная, изучающая возможности использования теплоты подземных вод.
   е. Энергетическая занимается обоснованием и разработкой технологии применения динамической энергии подземных вод для получения энергии.
   ж. Инженерная, изучающая гидрогеологические условия при строительстве промышленных и бытовых объектов.
   з. Мелиоративная, исследующая влияние и использование подземных вод при мелиорации и в сельском хозяйстве.
   и. Промышленная, обосновывающая извлечение и добычу полезных компонентов из подземных вод.
   к. Горная, исследующая влияние подземных вод при строительстве и эксплуатации подземных объектов (шахты, рудники, карьеры и др.).
   л. Нефтегазовая, изучающая гидрогеологические условия эксплуатации месторождений и добыче нефти и газа, обводнения залежей и скважин.
   м. Экологическая, занимающаяся проблемами экологической охраны и рационального использования подземных вод.

1.2. Историческая гидрогеология

      Роль воды в жизни человеческого общества и природы велика. Вода -минерал, обладающий удивительными свойствами. Без воды наша Земля имела бы другой облик. Без воды невозможно развитие органического мира: растений, животных и человека.
      Характерные для древних мыслителей представления о роли и значении воды имеют свое значение и в наше время.
      Вода по представлению древних вавилонян, египтян, индусов и персов считалась началом всех начал, первоисточником всего существующего. Древнегреческий философ Аристотель рассматривал воду как составную часть природы (учение о четырех элементах: огне, воздухе, воде и земле).


8

      Изучение физических свойств воды началось в XVII в. В 1612 г. Галилей доказал, что способность тела плавать зависит не от формы (как считали ученые Древней Греции), а от его плотности и что поэтому лед, всегда плавающий в воде, должен иметь меньшую плотность, чем вода.
      Французский физик Делюк установил в 1772 г., что плотность воды наибольшая при температуре +4 °C. При создании в конце XVIII в. метрической системы мер и весов это свойство было использовано для определения грамма и килограмма.
      О том, что вода представляет собой по химическому составу соединение водорода с кислородом, первым (в 1783 г.) объявил французский ученый Лавуазье.
      В I860 г. наш великий соотечественник Д. И. Менделеев впервые указал на критическую температуру, т. е. температуру, выше которой пар не может быть превращен в жидкость ни при каком давлении. Спустя год Менделеев исследовал расширение воды при нагревании (от 0 до 175 °C), а впоследствии дал формулы зависимости плотности воды от температуры. Советский ученый М. П. Вукалович составил таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара до 700 °C и давления 300 атм.
      Большинство исследователей считают, что средой для возникновения жизни на Земле послужили теплые моря, в которых возникали сначала сложные органические соединения, из которых при определенных условиях в дальнейшем образовалась органическая материя.
      Общее количество воды в гидросфере составляет около 1,4—1,5 млрд км³. Основное количество воды содержится в Мировом океане, на воды суши приходится около 90 млн км³. Огромные массы пресной воды на земной поверхности, оцениваемые в 24 млн км³, сосредоточены в ледниках, в озерах — 230 тыс. км³, в атмосфере — около 14 тыс. км³ в виде пара.
      Многообразна роль воды в природе. Содержащийся в воздухе водяной пар (наряду с углекислым газом) играет определяющую роль в тепловом балансе земной поверхности, так как он, пропуская большую часть солнечных лучей, в значительной степени задерживает тепловое излучение планеты в мировое пространство.
      Вода, обладающая большой теплоемкостью, определяет роль океанов в климатическом отношении. Океаны и моря, накопив запас тепла летом, согревают этим теплом атмосферу зимой. Из тропических широт океанические течения несут тепло в северные моря, смягчая и выравнивая климат планеты. Так, например, мягкость климата Западной Европы обусловливается гигантским тепловым потоком (Гольфстримом), вытекающим из Мексиканского залива, пересекающим Атлантический океан и омывающим берега Англии и Норвегии.

э

     Океан наряду с ветром выступает в роли регулятора состава воздуха, растворяя газы атмосферы; течения же переносят их на большие расстояния. Три четверти земной поверхности занимают открытые океаны и моря.
     Вода на протяжении геологической истории Земли формирует поверхность нашей планеты. Там, где холод и жара не могут разрушить горные хребты, состоящие из гигантских каменных блоков, эту работу совершает вода. Превращаясь в лед, она способна рвать и крошить вековые утесы. Вода, заключенная в трещинах, развивает давление до 2400 атм, против которого не могут устоять ни гранит, ни базальт.
     Вода медленно растворяет минералы, из которых состоят горные породы. Растворенные вещества и оторванные частицы горных пород переносятся ею и откладываются в долинах и морях.
     Реки ежегодно сбрасывают в океан 320 млн тонн кальция, 560 млн тонн кремния и других элементов. Например, только Миссисипи за сутки выносит в океан до 2 млн тонн взвешенных частиц.
     Вода, испаряясь с поверхности океанов, озер, рек и суши, конденсируется в атмосфере и выпадает в виде дождя, снега и града. Этот круговорот воды связывает воедино океаны, воды суши, подземные воды и почвенную влагу.
     В твердом виде все вещества имеют удельный вес больший, чем в жидком. Этому правилу на Земле не подчиняется только вода. При охлаждении воды до 0 °C она превращается в лед, который легче воды и поэтому плавает на ее поверхности. Если бы не это замечательное свойство воды, жизнь в водоемах была бы невозможна.
     Вода является постоянным участником биохимических процессов, происходящих в живых организмах. В водной среде протекает большинство химических реакций, связанных с обменом веществ в организме. Благодаря этому свойству вода стала «носителем жизни».
     Вода является единственным материалом, который практически очень трудно заменить. Природные источники тепла - уголь, нефть и газ - взаимозаменяемы. Тепло теперь дает атомная энергия. В настоящее время повсюду применяются синтетические изделия. Продукты питания уже получают искусственным путем. Однако потребность живого организма в воде может удовлетворить только вода. Вода является одним из основных элементов природы, без которых невозможно развитие органического мира - растений, животных человека.
     Вода составляет от 80 до 90 % массы всех растений, около 75 % -животных. В составе человеческого тела около 65 % воды. Это значит, что во взрослом человеке, который в среднем весит 70 кг, примерно 45 кг приходится на воду. Особенно богаты ею ткани молодого организма: например, тело ново

го