Вода в геосферах Земли

Содержание

			Стр.
	Введение……………………………………………………………..
1.	Вода в геосферах Земли……………………………………………..
	1.1.	Надземная гидросфера………………………………….
	1.1.1.	Влажность воздуха……………………………………….
	1.1.2.	Испарение и транспирация……………………………..
	1.1.3.	Атмосферные осадки………………………………….....
	1.1.4.	Виды воды в атмосфере……………………………...….
	1.2.	Наземная гидросфера…………………………………....
	1.2.1.	Гидрологический круговорот воды…………………….
	1.2.2.	Малый и большой круговороты воды…………………..
	1.2.3.	Поверхностный сток……………………………………..
	1.2.4.	Подземный сток……………………………………….....
	1.3.	Подземная гидросфера………………………………......
2.	Гидрогеологические структуры. Структурные типы подземных вод…………………………………………………………………..…
3.	Подземные водные резервуары…………………………………..…
	3.1.	Гидрогеологический цикл и его этапы.………………...
4.	Проблема формирования подземных вод и ее сущность………….
	4.1.	Формирование ресурсов подземных вод……………..
	4.1.1.	Процессы формирования состава подземных вод……
5.	Гидрогеологическая стратификация………………………………
	5.1.	Гидрогеологическая стратификация ЗСМБ……………
6.	Виды воды в горных породах……………………………………..
7.	Основные виды движения подземных вод………………………..
	7.1	Элементы фильтрационного потока. Закон Дарси…….
	7.1.1.	Методы определения коэффициента фильтрации…….
	7.1.2.	Водопроводимость……………………………………….
	7.2.	Особенности движения подземных вод повышенной минерализации…………………………………………..
	7.3.	Установившееся и неустановившееся движение………
8.	Гидрогеотермия………………………………………………………
	8.1.	Гидрогеотермический режим земной коры…………….
	8.1.1.	Виды теплопереноса……………………………………..
	8.1.2.	Геотермические зоны земной коры……………………..
	8.1.3.	Геотемпературное поле………………………………….
	8.1.4.	Практическое применение геотермических методов в гидрогеологии……………………………………………
9.	Свойства и состав природных вод………………………………….
	9.1.	Распространение воды на Земле и уникальность ее свойств……………………………………………………
	9.1.1.	Строение и структура воды……………………………..
	9.1.2.	Изотопный состав воды………………………………….
	9.1.3.	Физические свойства воды……………………………...
	9.1.4.	Химический состав воды………………………………..
	9.1.5.	Макрокомпоненты………………………………………
	9.1.6.	Классификация вод по величине минерализации…….
	9.1.7.	Микрокомпоненты………………………………………
	9.1.8.	Ионное произведение и активная реакция воды. рН…………………………………………………………
	9.1.9.	Окислительно-восстановительный потенциал воды….
	9.1.10.	Типы химического анализа при гидрогеологических исследованиях……………………………………………
	9.1.11.	Бактериологический состав воды………………………
	9.1.12.	Газовый состав воды…………………………………….
	9.1.13.	Жесткость воды………………………………………….
	9.1.14.	Агрессивность воды……………………………………..
	Подземные воды криолитозоны……………………………………
	10.1.	Надмерзлотные воды деятельного слоя………………...
	10.1.1.	Межмерзлотные воды…………………………………..
	10.1.2.	Подмерзлотные воды……………………………………
	Основы палеогидрогеологии……………………………………….
	Основы нефтегазовой гидрогеологии……………………………..
	12.1.	Теоретические основы нефтегазовой гидрогеологии…
	12.1.1.	Растворенные углеводородные газы…………………..
	12.1.2.	Воднорастворенные органические вещества…………..
	12.2.	Гидрогеологические условия, благоприятные для сохранения и разрушения залежей нефти и газа……..

 

Введение

Дисциплина «Основы гидрогеологии» посвящена самым общим основополагающим гидрогеологическим сведениям и, прежде всего, особенностям появления и закономерностям распространения воды в недрах Земли.

Понятие «гидрогеология». Гидрогеология зародилась на стыке двух первооснов: геологии и гидрологии. Термин введен Ж.Ламарком (1802) для обозначения явлений разрушения и отложения водой. Современное определение понятия гидрогеологии – это наука о подземной гидросфере. Она изучает историю подземной гидросферы, ее ресурсы и состав, закономерности пространственного распределения составляющих ее компонентов (свободная, связанная, жидкая, парообразная, твердая, надкритическая и др. виды воды), происходящие в ней процессы и взаимодействие с окружающими земными оболочками, а также хозяйственное значение компонентов подземной гидросферы и влияние на них деятельности человека.

Роль академика В.И. Вернадского в развитии отечественной гидрогеологии.Решающую роль в развитии гидрогеологии сыграли три «постулата», выдвинутые выдающимся русским ученым академиком В.И. Вернадским: 1) единство природных вод, предполагающее постоянные переходы воды из одного состояния или вида в другое; 2) «всюдность» воды – присутствие во всех земных сферах вплоть до мантии Земли, а также и в космосе; 3) в природе нет «чистой» воды (Н₂О), а есть водные растворы различной концентрации. В.И. Вернадский придавал большое значение воде в процессах массопереноса вещества и энергопереноса в виде различных физических полей, что сконцентрировано в его всемирно известной равновесной системе. В.И. Вернадский рассматривал воду, как один из сложнейших минералов земной коры. По составу и свойствам им выделены 485 минералов подземных вод, которые можно охарактеризовать так же точно, как твердые минералы, например, кварц. В настоящее время в связи с развитием аналитической базы их можно выделить во много раз больше.

В.И. Вернадский указывал на особое место воды в истории нашей планеты: «Нет природного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных геологических процессов. Нет земного вещества – минерала, горной породы, живого тела, которое бы ее не заключало. Все земное вещество – под влиянием свойственных воде частичных сил, ее парообразного состояния, ее вездесущности в верхней части планеты – ею проникнуто и охвачено». Исключительную роль воды в жизни нашей планеты ученый аргументировал следующим образом: «Не только земная поверхность, но и глубокие – в масштабе биосферы – части планеты определяются в самых существенных своих проявлениях, ее существованием и ее свойствами». Он считал, что водою вызывается и создается электрическое поле планет и ее атмосферы, свойства воды создают климат и определяют термодинамику атмосферы, с водой связана вся химия земной коры и среда жизни.

Равновесная система В.И. Вернадского (макет С.Л. Шварцева)

 

Методы исследований в гидрогеологии. Гидрогеология, является частью геологии, тесно связана с циклом естественных и точных наук. Среди методов исследований можно выделить три группы: 1) Полевые; 2) Лабораторные; 3) Расчетные. Полевые методы включают проведение различных гидрогеологических исследований (съемки, бурение и испытание скважин и горных выработок; среди лабораторных методов можно выделить анализ химического и газового состава вод, определение фильтрационных параметров горных пород, моделирование движения подземных вод, откачки, наливы и др.).

Расчетные методы связаны с определением гидродинамических параметров (коэффициенты фильтрации, пьезо- и уровнепроводность и др.), используемых при подсчете запасов месторождений подземных вод. При проектировании разработки с заводнением нефтяных залежей проводятся расчеты допустимых депрессий и совместимости закачиваемых и пластовых вод и др.

Основные разделы гидрогеологии. Гидрогеология - комплексная наука, в ней выделились и оформились, как самостоятельные, две группы направлений: 1) теоретическая и 2) методическо - прикладного характера (табл.1).

Основные проблемы гидрогеологии.Основной фундаментальной проблемой современной гидрогеологии является формирование подземных вод. Это - проблема, состоящая из формирования ресурсов подземных вод и их состава в четырехмерном пространстве. К числу прикладных проблем относятся поиски и разведка месторождений пресных питьевых подземных вод, а также подземных вод, используемых в различных хозяйственных целях: технологические процессы производства, заводнение нефтяных залежей и осушение месторождений полезных ископаемых и др., использование химического и газового состава подземных вод при поисках месторождений полезных ископаемых (нефти, газа, полиметаллов и др.). В последние годы решаются проблемы захоронения промстоков в недра. Таким образом, прикладные задачи гидрогеологии связаны с использованием подземных вод для различных целей. Главной среди них является хозяйственно-питьевое водоснабжение. Ресурсы пресных подземных вод составляют в нашей стране 340 км³ в год. По данным Л.С. Язвина, в 2001 г. использовалось 7,8 км³ в год или 21,4 млн. м³ в сутки. Это всего лишь 2,3% от прогнозных ресурсов, что говорит о больших перспективах водоотбора из недр. Существенно, что защищенность подземных вод от загрязнения обычно значительно выше, чем у поверхностных вод, которые доминируют сейчас в системе централизованного водоснабжения (64%). Важно отметить, что доля подземных вод в этом балансе постепенно растет. Так, 68% городов и крупных поселков снабжаются подземными водами на 90 % и более; 12% городов имеют смешанное водоснабжение за счет подземных вод и поверхностных вод; 20% городов снабжаются преимущественно за счет поверхностных вод. Вместе с тем в ряде регионов (областей) засушливого климата и широкого распространения многолетней мерзлоты наблюдается дефицит пресных подземных вод [3].

Минеральные воды могут оказывать лечебное воздействие на человеческий организм. Известно более ста видов лечебных минеральных вод (углекислотных, сероводородных, радиоактивных и др.), которые применяются как для внутреннего, так и для внешнего пользования. Преобладающее большинство из выделяемых типов минеральных вод установлено на территории нашей страны. В нашей стране разведано 844 месторождения минеральных вод с эксплуатационными запасами 328 тыс. м³ в сутки. На их базе функционируют 220 санаториев, водолечебниц, грязелечебниц, более 100 предприятий по разливу минеральной воды. Несмотря на то, что Россия является одной из богатейших стран в мире по ресурсам и разнообразию минеральных вод, по их потреблению на душу населения мы заметно отстаем от Франции, Италии, Германии, где столовых минеральных вод производят на порядок больше, чем у нас. Наибольшее количество разведанных месторождений минеральных вод (78%) приходится на центральнее районы России и Северный Кавказ. Даже на Камчатке, где известно 270 проявлений минеральных и термальных вод, разведано только 18 из них. Это показывает, насколько велики перспективы разведки и эксплуатации минеральных вод. Такое положение наблюдается не только на Камчатке, но и во многих других регионах нашей страны. Поэтому перспективы деятельности гидрогеологов по изучению минеральных вод весьма обширны.

Вода может рассматриваться как источник химического сырья, из нее могут извлекаться в промышленных масштабах йод, бром, бор, поваренная соль, некоторые металлы, уран и др. С помощью воды проводится подземное выщелачивание месторождений самородной серы, поваренной соли, урана, полиметаллов. При активном участии воды происходит образование и формирование месторождений нефти. Подземные воды играют важную роль в рассеянии и концентрировании химических элементов. Это означает, что их водная миграция имеет решающее значение в создании и разрушении месторождений полезных ископаемых (осадочных, гидротермальных, метаморфических, магматических и др.).

Подземные воды широко используются в теплоэнергетических целях. В 40 странах мира функционируют ГеоЭС, преобразующие тепловую энергию подземных вод в электрическую. Их суммарная мощность в настоящее время достигла 10 тыс.МВт, и, чтобы получить такое количество энергии, добывается 36 тыс. кг/с горячего пара. В России ГеоЭС построены на Камчатке. Паужетская ГеоЭС эксплуатируется с 1966 г., и ее мощность равна 5 МВт. Несколько лет тому назад вступила в строй Мутновская ГеоЭС мощностью 62 МВт. Эти электростанции обеспечивают 37% потребности Камчатки в электроэнергии. Стоимость этой электроэнергии значительно ниже, чем у тепловых электростанций, работающих на мазуте, а стоимость тепла, отпускаемого ГеоЭС, почти в 10 раз меньше, чем теплота от ТЭС, работающих на привозном топливе. Еще шесть месторождений термальных вод с температурой более 90⁰С и ресурсами более 770 кг/с подготовлены для ввода в эксплуатацию. Таким образом, перспективы получения тепла и энергии из недр на Камчатке весьма велики. Они имеются и в других регионах России (на Курильских островах, где функционируют две небольших ГеоЭС, на Кавказе, в Предкавказье и Западной Сибири). В этих районах термальные воды используются пока только для теплоснабжения (парниковое хозяйство, обогрев жилых помещений).

Подземные воды могут оказывать и вредное воздействие. С этими явлениями приходится сталкиваться в районах подтопления жилых зданий, заболачивания и переувлажнения почвы, развития карста, активизации суффозионных и плывунных процессов. Много средств затрачивается на борьбу с подземными водами при разработке месторождений полезных ископаемых. Для осушения горных выработок откачивается более 5 млн. м³ в сутки. Много сложных гидрогеологических проблем возникает при гидротехническом строительстве, проходке тоннелей, при возведении и эксплуатации объектов гражданского и промышленного назначения.

Сказанное позволяет получить представление о сложности и разнообразии проблем, которые приходится решать гидрогеологу в процессе его научной и производственной работы. В круг его обязанностей входит также экспертная оценка гидрогеологической обстановки территории, эколого-гидрогеологические исследования, прогнозирование изменений гидрогеологических условий, проведение поисковых и разведочных гидрогеологических работ. От успешного решения указанных задач зависит в той или иной степени жизнеобеспеченность и нормальное функционирование различных сфер человеческой деятельности.

Таблица 1.

Разделы гидрогеологии

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ
Название	Сущность
1. Общая гидрогеология	общие основополагающие сведения и, прежде всего, особенности появления и закономерности распространения воды в недрах Земли
2. Гидрогеодинамика	движение, режим и ресурсы подземных вод, гидрогеодинамическое моделирование.
3.Гидрогеохимия	закономерности миграции химических элементов и их соединений в подземной гидросфере, состав подземных вод, и его формирование.
4. Гидрогеотермия	термические свойства и особенности подземной гидросферы.
5. История ПГ (палеогидрогеология)	происхождение подземных вод и их эволюция, геологическая деятельность воды в недрах Земли и ее роль в различных геологических процессах.
6.Региональная гидрогеология	гидрогеологические условия различных регионов мира.
МЕТОДИЧЕСКИЕ И ПРИКЛАДНЫЕ
1. Методика гидрогеологических исследований	методы проведения гидрогеологических исследований (полевые, лабораторные, расчетные).
2. Разведочная гидрогеология	изучение месторождений подземных вод, и использование их в водоснабжении, мелиорации, в качестве лечебных, промышленных и теплоэнергетических источников.
3.Инженерная гидрогеология	обводнение и осушение месторождений полезных ископаемых, мелиорация земель, проведение строительства инженерных сооружений.
4.Техногенная гидрогеология	истощение и загрязнение подземных вод, защитные мероприятия и управление их режимом; эколого-гидрогеологический мониторинг.

Вода в геосферах Земли

Надземная гидросфера

Всего на Земле содержится более 2,5 млрд. км3 воды: в наземной гидросфере 1,4 млрд. км3, в земной коре – 1,1 млрд. км3. Вода биосферы составляет…  

Влажность воздуха

Атмосфера окружает нашу планету тонким слоем, не имеющим резко выраженной верхней границы. Плотность воздуха с высотой уменьшается настолько быстро,… Атмосфера делится на 2 части: тропосферу и стратосферу. Тропосфера расположена… Далее следует ионосфера, для которой характерны процессы ионизации, протекающие под действием ультрафиолетовых лучей…

Испарение и Транспирация

Масштабы испарения зависят от многих факторов, основные из которых являются: температура на поверхности земли; атмосферное давление; дефицит… Дефицит влажности (недостаток насыщения): d=E-e Испарение подвержено суточным и годовым колебаниям: летом>зимы, а днем>чем ночью.

Атмосферные осадки

Образование осадков происходит следующим образом. Если в воздухе содержится водяной пар в количестве, максимальном для данной t0, то воздух… Переход водяного пара в жидкое состояние-конденсация. Переход в твердое… В зависимости от условий и места образования атмосферных осадков она разделяются на 2 типа:

Виды воды в атмосфере

В стратосфере преобладающей фазой является: лед, а у границы с мезосферой в результате повышенной t – пар. Повышение t в верхних слоях стратосферы… Таким образом, для трехфазного состояния воды верхней границей гидросферы…  

Наземная гидросфера

В воде Мирового океана растворены все известные на Земле вещества, но в разных количествах. 4/5 всех растворенных веществ — хорошо известная всем… Например, 2000 т воды содержат всего 1 г золота. Ясно, что добывать его… На поверхности Океана самая высокая температура воды близ экватора: 27—28°С. Самая низкая — в полярных областях: — 1,…

Гидрологический круговорот воды

Речные воды, впадая в моря и океаны, несут различные растворенные химические элементы и соединения, которые они извлекают из пород по пути движения.… Перемещение влаги в атмосфере и на поверхности земли происходит довольно… Много влаги временно исключается из гидрологического круговорота, переходя в твердое или связанное состояние в…

Малый и большой круговороты воды

- при малом круговороте испарившаяся с поверхности морей и океанов влага выпадает здесь же, на водной поверхности и не переносится на сушу; - при большом круговороте часть водных паров переносится на сушу и выпадает на… Таким образом, ежегодная убыль воды в океанах и морях вследствие испарения покрывается прибылью воды из рек и…

Поверхностный сток

1. дождевое - имеющее место в районах с влажным и умеренным климатом. В бассейнах малых рек ливневые осадки обычно вызывают резко выраженные… 2. снеговое - свойственно большей части территории РФ. Накопившиеся за зиму… 3. ледниковое – в горных странах и по их окраинам. Воды, образующиеся в результате таяния ледников (в летнее время),…

Подземный сток

Величина подземного стока характеризуется модулем подземного стока Мподз=(К*Мо)/100  

Строение подземной гидросферы

1) зона аэрации; 2) зона насыщения; 3) зона надкритического состояния воды.

ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ

СТРУКТУРНЫЕ ТИПЫ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

  Поровая Трещинная … Рис. 2. Структурно-гидрогеологические подразделения

ПОДЗЕМНЫЕ ВОДНЫЕ РЕЗЕРВУАРЫ

В первом случае выделяют гидрогеологические бассейны (мегабассейны) (по С.Б. Вагину, А.А. Карцеву) (рис.3). Бассейны пластовых вод приурочены к крупным впадинам (прогибам). Скопления вод… Бассейны трещинных и жильных вод могут быть связаны как с положительными (купольными), так и с отрицательными…

Гидрогеологический цикл и его этапы

Гидрогеологический цикл – отрезок гидрогеологической истории, состоящий из двух этапов: 1) седиментационный, соответствующий тектоническому погружению (трансгрессии… 2) инфильтрационный – при тектоническом воздымании территории.

ПРОБЛЕМА ФОРМИРОВАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

И ЕЕ СУЩНОСТЬ

Как уже отмечалось выше, формирование подземных вод представляет собой фундаментальную проблему современной гидрогеологии. Это - двуединая проблема, включающая формирование ресурсов подземных вод, и формирование их состава в четырёхмерном пространстве.

Формирование ресурсов подземных вод

1. Инфильтрационные воды – образовались путем инфильтрации. Сюда же можно отнести и инфлюационные воды (втекающие потоками по трещинным и карстовым… 2. Конденсационные воды – проникающие главным образом из атмосферы в виде пара… 3. Седиментационные воды – захороненные вместе с осадочным материалом в бассейнах осадконакопления, в процессах…

Процессы формирования состава подземных вод

Выщелачивание – частичное или полное растворение различных солей и минералов при фильтрации подземных вод через породы. Одновременно с растворением…   Подземные воды Экзогенные …

ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКАЯ СТРАТИФИКАЦИЯ

Водоносные (водопроницаемые) – породы, содержащие свободную воду и способные пропускать ее через себя и отдавать под действием силы тяжести. Сюда… Водоупорные (водонепроницаемые) – породы, которые весьма слабо пропускают или… Таксономическими единицами гидрогеологической стратификации являются: водоносный горизонт (пласт) с линзами, прослоями…

Гидрогеологическая стратификация ЗСМБ

Таксонами 1-ого порядка в его составе являются сложные, наложенные друг на друга гидрогеологические бассейны: кайнозойский, мезозойский и… Кайнозойский бассейн состоит из двух гидрогеологических комплексов: I. олигоцен-четвертичного;

ВИДЫ ВОДЫ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ

Классификация видов воды

а) по физическому состоянию:

б) по степени связи с частицей горной породы:

 

Рис. 15. Виды воды в горных породах

(по В.М. Матусевичу, 2005, с добавлением – по В.А. Кирюхину, 2008)

 

1. Вода в виде пара обладает большой подвижностью, ее содержание в воздухе составляет от долей процента до нескольких процентов (вблизи земной поверхности). Вода превращается в пар в ходе гидрологического круговорота под действием солнечного тепла, а так же на больших глубинах при температурах 100-450˚С. В районах современного вулканизма образуется пароводяная смесь – «парогидротермы» (гейзеры Камчатки , Исландии и др.). Кроме высоких температур с ними связаны высокие давления (до 218 атм.). Перемещение пара направлено от его большей упругости к меньшей, от более влажных участков к менее влажным, от высокотемпературных к низкотемпературным. В результате конденсации пара образуется не только свободная, но и связанная вода. Для пара характерно образования молекулярных ассоциатов [(Н₂О)n (где, n - 2-5 молекул)], которые адсорбируются на поверхности частиц вместе с молекулами воды. Для пара характерна особенность: он не участвует в питании растений.

2. Вода в твердом состоянии. Это - лед, который образует среди пород кристаллики, жилы или прослои, достигающие мощности в десятки метров. Различают разновидности подземных льдов: а) погребенные льды подземного происхождения; б) ископаемые льды подземного происхождения; в) льды-включения в составе горных пород (ледяной «цемент»). Жильные и пластовые тела при подтоке подземной воды «растут» и образуют «гидролакколиты» - бугры пучения. К проявлениям льда относят также «газогидраты» - соединения молекул воды с природными газами [чаще с углеводородными, иногда представляют собой промышленные залежи (на С-В Западной Сибири – Мессояхское месторождение и др.]. Встречаются так же в озере Байкал. Они могут образовываться на стенках скважин и газопроводов при высоком давлении. На поверхности они «вскипают», оставляя лужицу воды.

3. Вода в надкритическом состоянии. Это термобарический экстремум (температуры 374-450˚С, давление более 218 атм.). За пределами этих значений отсутствуют различия между жидкостью и газом. Скорость движения молекул этого субстрата как у газа, а плотность сохраняется близкой к единице, т.е как у жидкой пресной воды. Вода в таком состоянии отличается как от парообразной, так и от жидкой фаз. Водородные связи становятся еще менее прочными и происходит распад молекул Н₂О, на ионы Н⁺ и ОН^-, значительно снижается вязкость, повышается растворяющая способность . Параметры критической точки воды зависят от концентрации раствора. Например, для хлористого натрия с концентрацией 50 г/л вместо 304˚С и 218 атм. они повышаются до 430˚С и 340 атм., что подтвердили результаты испытания Кольской сверхглубокой скважины, в которой на глубине более 12 км встречены водные растворы с минерализацией 50 г/л при температуре 400˚С. Надкритическое состояние характерно для магматических расплавов с содержанием воды в них 4-10 %. В недрах земли с переходом воды из надкритического состояния в нормальное связаны увеличение объема воды ( в 1,5-2 раза) и выпадение рудных компонентов из гидротермальных растворов.

4. Свободная вода. Включает в себя воду минералов (включений) или вакуольную, а так же капиллярную и гравитационную.

Вакуольная вода заполняет вакуолы (изолированные пустоты) минералов. Это - реликты среди минералообразования, они часто имеют высокую минерализацию. Выделяются при разрушении минералов или при их нагревании.

Капиллярная вода заполняет капиллярные поры. Различают капиллярно - подвешенную (менисковую) и капиллярно-поднятую. Первая поднимается под действием силы поверхностного натяжения (менисковые силы), вторая является «сквозной» от подошвенных глин до их кровли и, в отличие от первой, передает гидростатическое давление. Полное насыщение водой всех капиллярных пор называется капиллярной влагоемкостью.

Свободная гравитационная вода – это обычная капиллярно-жидкая вода , передвигающаяся под влиянием силы тяжести и напорного градиента. Количество ее зависит от гранулометрического состава пород, их пористости и трещиноватости. В глинах ее немного, а при их уплотнении – еще меньше. В случает повышенной пористости или трещиноватости количество гравитационной воды увеличивается и преобладает над другими видами.

5.Физически связанная вода делится на прочносвязанную и рыхлосвязанную. Она отличается от свободной воды большей плотностью (1,2-1,5 г/см³ для рыхлосвязанной и 2,4 г/см³ для прочносвязанной). Температура замерзания ее может опускаться до -100˚С. Характерна для глины. Энергетические связи этой воды с частицей горных пород различны, как различна толща пленки воды (для рыхлосвязанной - это 10-20 молекул воды, а для прочносвязанной – всего 1-3 молекулы). Это так называемая «пленочная» вода, среди которой выделяется слои; по мере приближения к частице все более прочно с нею связаны. При максимальной гигроскопичности прочносвязанная вода целиком заполняет межпакетные промежутки глинистых минералов и является переходной от физически связанной к химически связанной воде («возрожденная» вода при процессах катагенеза.). Содержание ее в породах так же зависит от гранулометрического и минералогического состава пород. Пленочная вода является рыхлосвязанной и образует как бы второй слой над гигроскопической водой. Передвигается она путем выравнивания толщины пленки под действием температуры. Эта вода доступна для жизнедеятельности организмов.

Одной из разновидности физически связанной воды выступает осмотическая вода, которая образуется путем проникновения молекул воды –растворителя в диффузный слой коллоидных частиц. Она представляет собой переходную разновидность к свободной воде. Именно с этой водой связано набухание коллоидов и образование вокруг них устойчивой оболочки.

В целом физически связанная вода удаляется из породы путем высушивания, центрифугирования, отсасывания под вакуумом, отпрессовывания под большим давлением (до 5000 кг/см³). В этом случае она переходит в свободное состояние в виде т.н. «поровых» («горных») растворов. В природе эти воды являются характерными для бассейнов седиментации, где они отжимаются под действием гравитационного и седиментационного уплотнения преимущественно глинистых пород.

6. Химически связанная вода. Она входит в состав минералов, выступая в их кристаллической решетке как Н₂О, ОН^- , Н⁺ , Н₃О⁺. Если эта вода входит в виде молекул Н₂О, то она представляет собой кристаллизационную воду . Примером может служить сода Na₂CO₃ * 10 Н₂О (64% воды). Отделение кристаллизационной воды вызывает разрушение кристаллической решетки и образование безводных соединений в результате повышения температуры не более 300-400˚С . При этом иногда дегидратация происходит не сразу, а с образованием промежуточного кристаллогидрата.

 

CaSO₄ * 2 H₂O ―> CaSO₄ * H₂O ( 107 ˚ C ) ―> CaSO₄ ( 170 ˚ C).

Аналогично превращение минерала гипса CaSO₄ * 2 H₂O в ангидрит CaSO₄ в результате термодегидратации. Цеолитная и конституционная вода является наиболее прочносвязанной водой с минералами, где ее количество является переменным, например, опал (SiO₂ * n H₂O). Выделяется эта вода при полном разрушении молекулы путем нагревания породы до красного каления (1300˚).

ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ДВИЖЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

     

Элементы фильтрационного потока. Закон Дарси

К элементам фильтрационного потока относятся пьезометрический напор (рис.18), напорный градиент (h), линии равных напоров (гидроизопьезы) или…    

Методы определения коэффициента фильтрации

Величина K для различных горных пород (м/сутки): глины –0,001-0,01 суглинки – 0,01-0,1

Особенности движения подземных вод повышенной минерализации

Выведенный А.Дарси коэффициент фильтрации (К) корректен только для пресных подземных вод, т.к. он не зависит от свойств фильтрующихся флюидов. В то… Основными свойствами, характеризующими фильтрующуюся жидкость, являются… К=Кп где,

Установившееся и неустановившееся движение

Кроме упругих сил воды и пород неустановившееся движение может формироваться под воздействием притока воды из других горизонтов или при осушении… Все расчеты по неустановившейся фильтрации выполняются с учетом фактора…  

ГИДРОГЕОТЕРМИЯ

Гидрогеотермический режим земной коры

Внешние (космические) источники тепла – солнце, луна, звезды, космические лучи. Основным является солнце. Именно солнечная энергия и сила тяжести… Внутренние источники тепла – ранее связывали с остыванием планеты. Другие,…

Виды теплопереноса

Теплоперенос – это часть общей проблемы физических полей, рассмотренных Вами в курсе физики. Применительно к данному разделу геологии следует различать кондуктивную теплопередачу, конвективный теплоперенос и тепловое излучение.

Кондуктивная теплопередача.

  Количественный показатель – коэффициент теплопроводности (λ) – количество тепла, проходящее в единицу времени через…    

Конвективный теплоперенос.

  Н.А. Огильви дал математическое обоснование теплового эффекта при восходящем (нисходящем) движении подземных вод.    

Тепловое излучение.

С позиций квантовой теории процесс излучения реализуется в виде испускания – поглощения кванта излучения – фотона. Фотон всегда выступает как единое… В то же время в отличие от обычных классических частиц протон имеет и волновые… Этот вид переноса изучен менее других но, по-видимому, играет большую роль в формировании информационного поля.

Геотемпературное поле

Кроме того, в гидрогеологии (А.М. Овчинников) пользуются терминологией «типы геотермического режима», среди которых выделяются нормальный,… Нормальный режим не нарушен положительными или отрицательными тепловыми… Магматогенный режим связан с проявлением вулканизма (Кавказ, Камчатка, Аляска и др.).

Практическое применение геотермических методов в гидрогеологии

Практическое использование геотермальных вод более подробно рассматривается в курсе «нефтегазовая гидрогеология».  

СВОЙСТВА И СОСТАВ ПРИРОДНЫХ ВОД

Распространение воды на Земле и уникальность ее свойств

Почти по всем своим параметрам вода уникальное вещество, резко отличающееся от других природных соединений. 1) Если сравнивать воду с гидридами VIII таблицы Менделеева, то все они кипят… По всем канонам таблицы вода должна быть дурно пахнущим газом.

Строение и структура воды

является смесью мономерных и полимерных молекул; связи между отдельными мономерами динамичны, т.е. они постоянно появляются, разрушаются,… Структура воды обусловлена главным образом существованием водородных связей,… Существует несколько моделей структуры воды. Д. Бернал и Р. Фаулер предположили существование трех типов расположения…

Изотопный состав воды

Изучение изотопов водорода показало, что их природное фракционирование зависит от многих причин. С увеличением возраста вод (седиментационные воды)… Некоторые исследователи (А.С. Уклонский и др.) считают, что кислород О16…  

Физические свойства воды

Температура. Температура подземных вод колеблется в широких пределах: от минусовой в… Прозрачность.

Химический состав воды

В природе невозможно найти химически чистую воду. Благодаря ее высокой растворяющей способности и подвижности происходит перераспределение (миграция) химических элементов в земной коре.

В природных водах присутствуют практически все элементы системы Менделеева в виде ионов, недиссоциированных молекул (и газов), и коллоидов. Однако концентрации их резко различны. В зависимости от содержания в воде элементы делятся на 2 группы: макрокомпоненты и микрокомпоненты.

Макрокомпоненты

С некоторой условностью к макрокомпонентам можно отнести также нитрат-ион (NО3), который хотя и очень редко, встречается в преобладающих…  

Классификация вод по величине минерализации

Среди первых классификаций следует назвать классификацию В.И. Вернадского.

В современном виде классификация выглядит следующим образом

(табл. 3).

Таблица 3.

Классификация вод по величине минерализации.

Класс вод	Подкласс вод	Минерализация, г/л
Пресные	Ультрапресные	<0,1
	Умеренно пресные	0,1-0,5
	Собственно пресные	0,5-1,0
Солоноватые*	Слабосолоноватые	1-3
	Умеренно солоноватые	3-10
	Соленые	10-35
Рассолы	Слабые	35-100
	Крепкие	100-320
	Сверхкрепкие	320-500
	Предельно насыщенные	> 500

*По ГОСТ 14403-72 к солоноватым отнесены воды с общей минерализацией 1-25 г/кг, что, по сути, неверно.

 

Микрокомпоненты

Формы соединений в водах многих микрокомпонентов разнообразны (комплексные ионы, металл-органические соединения, коллоиды, взвеси). Они еще сравнительно слабо изучены, поэтому при интерпретации анализов… Основные физические свойства воды обусловливаются содержанием в воде макрокомпонентов, представляющих так называемый…

Ионное произведение и активная реакция воды. рН.

Н2О↔Н+ + ОН- Однако степень диссоциации воды очень мала. При температуре = 220С из 55,51… К Н2О = [H+][ ОH] = 10-7·10-7/55,51

Окислительно-восстановительный потенциал воды

Fe2+ ↔ Fe3++e или Fe2+ - e = Fe3+ Окислительно-восстановительная способность системы определяется…  

Типы химического анализа при гидрогеологических исследованиях

1) изучение закономерностей формирования и распространения природных вод различного состава; 2) поиски месторождений полезных ископаемых (нефти и газа, металлов, солей и… 3) оценка природных вод как химического сырья для получения J, Br, B, Cu, Ba и др.;

Бактериологический состав воды

Таблица 4. Классификация бактериологического состояния воды. Группа Одна…  

Газовый состав воды

Содержание газа в воде определяется газонасыщенностью, под которой понимается объем газа, растворенный при 00С и нормальном давлении в 1 л воды.… Способность к растворению газов в воде определяется коэффициентом… При одновременном увеличении давления и температуры свыше 1000С растворимость газа растет особенно резко. Поэтому на…

Жесткость воды

Общая жесткость обусловлена содержанием в воде всех солей кальция и магния – Са (НСО3)2; Мg (НСО3)2; СаSО4, МgSО4, МgСО3, МgСl2, СаСl2. Устранимая (временная) и карбонатная вызывается наличием карбонатов и бикарбонатов кальция и магния. Карбонатная…

Агрессивность воды

Углекислотная агрессивность состоит в разрушении бетона в результате растворения СаСО3 под действием агрессивной СО2. СаСО3 + Н2СО3 ↔ Са2+ + 2НСО3- Этот процесс обратим, и вправо до конца не доходит, так как часть Н2СО3 остается после реакции в свободном состоянии и…

ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ КРИОЛИТОЗОНЫ

Мерзлота, наблюдаемая на поверхности земной коры, подразделяется на три основных разновидности: кратковременная, сезонная и многолетняя (существует… Многолетнемерзлые горные породы – это породы, содержащие в порах, трещинах,… Мерзлоту обычно подразделяют на сплошную, таликовую и островную.

Надмерзлотные воды

воды деятельного слояводы многолетних надмерзлотных таликов

Надмерзлотные воды деятельного слоя

Воды многолетних надмерзлотных таликов Обычно распространены в таликах под руслами рек и озер (рис. 20). Последние… С наступление зимы эти воды могут приобретать напор, т.е. они также напорно-безнапорные воды. Источники питания…

Межмерзлотные воды

воды в жидкой фазе воды в твердой фазе   Межмерзлотные воды в жидкой фазе

Подмерзлотные воды

При изучении аллювиальных подмерзлотных вод необходимо учитывать возможность симметричного или ассиметричного залегания мерзлых пород. Температура аллювиальных вод близка к нулю, реже равна 1-20С и понижается по… Порово-пластовые и трещинно-пластовые воды залегают в различных осадочных породах. Первые характерны для…

ОСНОВЫ ПАЛЕОГИДРОГЕОЛОГИИ

Сущность палеогидрогеологических исследований заключается в изучении процессов образования, миграции и метаморфизации инфильтрационных,… Значение палеогидрогеологического анализа таково, что во многих случаях без… Особенно важное значение имеют эти исследования для выяснения условий образования, миграции, сохранения и разрушения…

ОСНОВЫ НЕФТЕГАЗОВОЙ ГИДРОГЕОЛОГИИ

Нефтегазовая гидрогеология – это раздел, изучающий гидрогеологические условия образования, формирования, сохранения и разрушения залежей нефти и газа, а так же их поисков. Таким образом, можно выделить теоретические и прикладные основы нефтегазовой гидрогеологии.

 

Теоретические основы нефтегазовой гидрогеологии

 

Растворенные углеводородные газы

А.А. Карцев приводит три основные закономерности в распределении водорастворенных газов: 1) содержание углеводородных газов (УВ) в водах увеличивается с ростом глубин… 2) подземные воды часто недонасыщены УВ;

Воднорастворенные органические вещества (ВРОВ)

Природа ВРОВ различна. Часть их может быть унаследована от бассейнов седиментации, часть поступает из осадочных пород в результате процессов… Процессы нефтеобразования и нефтенакопления несколько по-разному трактуется… Гидрогеологическую модель нефтегазообразования и нефтегазонасыщения можно представить в виде следующей схемы:…

Гидрогеологические условия, благоприятные для сохранения и разрушения залежей нефти и газа

При этом благоприятные гидрогеологические условия создаются на седиментационных этапах гидрогеологических циклов, а на инфильтрационных этапах, в… Изменение тектонического плана в ходе гидрогеологической истории бассейна… Разрушение, как и консервация нефтяных и газовых залежей, происходит в водной среде, а сами литосферные воды вместе с…

Минимальные значения углов падения пластов при сохранении

  Гидравличес­кий уклон Углы падения пластов Гидравличес­кий уклон Углы падения пластов   …   Физико-химическому разрушению путем растворения в пластовых водах подвержены газовые залежи. При повышении пластового…