Гидрогеология

 

Направления развития гидрогеологии

В дальнейшем гидрогеология развивалась по нескольким направ­лениям:

1) региональному — исследовались все новые и новые бассейны подземных вод в разных странах мира и геологических структурах;

2) генетическому — в научный анализ включались воды все более и более глубоких горизонтов: соленые, рассолы, термальные;

3) гидродинамическому — вывод новых формул и выявление закономерностей движения воды разных видов в различ­ных геологических структурах, математическое моделирование;

4) гидрогеохимическому — исследование состава и условий форми­рования разнообразных типов воды, использование полученных данных в решении различных задач, включая поиски полезных ископаемых;

5) палеогидрогеологическому — история воды и ее геологическая роль;

6) экологическому — охрана, рациональное использование и управление подземными водами. Это последнее направление исследований только начинается. Остановимся только на некоторых наиболее общих достижениях гидрогеологии до обоб­щающих работ В. И. Вернадского.

Все более глубокое проникновение в недра земли вскрыло широкое развитие в них соленых вод и рассолов, генезис которых нельзя было объяснить инфильтрацией атмосферных осадков. Возникла идея наличия в земных недрах ископаемых вод морского генезиса. Эта идея высказана независимо друг от друга австрийским геологом Г. Гёфером (1902 г.), русским академиком Н.И. Андрусовым (1908 г.) и американским гидрологом А. Ч. Лейном (1908 г.). Так, идея древних мыслителей о проникновении морской воды получила новое рождение, правда, на принципиально новой основе. Ископа­емые воды — воды древних морей попадают в недра Земли вместе с захоронением донных отложений и сохраняются в течение геоло­гически длительного времени как реликт морских бассейнов про­шлых геологических эпох. Как видим, механизм проникновения морской воды в недра оказался совершенно не таким, как представ­лял себе А. Кирхер.

Идея ископаемых морских вод получила развитие в работах многих исследователей и в настоящее время является базовой для понимания многих геологических явлений, и процессов, протекаю­щих в земной коре. На основе этой идеи развилось представление о принципиально новом геологическом круговороте воды в земной коре. Это представление наиболее полно развито русскими иссле­дователями А.Е. Ходьковым, Г.Ю. Валуконисом, А.Н. Павловым, С.Л. Шварцевым.

Разработка идеи геологического круговорота воды поднимает гидрогеологию на принципиально иной уровень. Собственно говоря, только с этого времени гидрогеология стала по настоящему геоло­гической наукой, ибо ранее она являлась частью гидрологии и изучала подземную ветвь климатического (гидрологического) кру­говорота. С этого же времени она становится наукой о подземной гидросфере.

Идея ископаемых морских вод рождалась также не без споров и критики оппонентов. Явное несоответствие состава и солености захороненных вод современным морским водам вызывает и сегодня противоречивые мнения. Одни исследователи (Р. Миллс, Р. Уэллс, В.А. Сулин, Е.В. Посохов и др.) развивали идеи о том, что древние моря были иного, чем современные, состава, близкого к подземным рассолам; другие (Д. Роджерс, Л. Мразек, Р. Нил, А.Д. Архангель­ский, Н.С. Курнаков, М.Г. Валяшко и др.) выдвинули идею о метаморфизации (направленном изменении состава) морских вод в процессе их захоронения и взаимодействия с горными породами. Однако механизмы такого взаимодействия и масштабы их проявле­ния до конца не поняты до сих пор.

Другие типы воды, встречающиеся в районах активного вулка­низма, горячие с выделением газов (гейзеры) издавна также инте­ресовали исследователей. Однако только в начале XX в. (1902 г.) была предложена австрийским геологом Э. Зюссом (1831-1914 гг.) более или менее обоснованная гипотеза ювенилъных вод. Так он назвал воды, генерируемые в глубинах Земли из водорода и кис­лорода. Ювенильные, т.е. первозданные воды, в отличие от вадозных (мелких или поступающих с поверхности земли, экзогенных) выделяются из магмы при ее остывании, т.е. по своей природе являются эндогенными, и через нарушения или вулканы включают­ся в круговорот.

Концепция ювенильных вод также подверглась резкой критике. В частности, швейцарский геолог Л. Брун (1911 г.) обосновал поло­жение о безводности вулканов, точнее он приписывал воде вулкани­ческого происхождения вторичный генезис, обусловленный ее зах­ватом из вмещающих горных пород. Г. Гёфер (1925 г.) полагал, что ювенильна не вода, а только ее теплота. Многочисленные попыт­ки исследователей отыскать ювенильную воду в природе пока не увенчались успехом. По последним данным В. И. Ферронского и В. А. Полякова, основанным на изотопных данных водорода и кис­лорода, доля ювенильной воды в вулканах не превышает 5%.

В отличие от ювенильной гипотезы все большее значение при­обретает учение о возрожденных водах, развитое русским ученым А.М. Овчинниковым (1904-1969). Возрожденные воды образуются при метаморфизме осадочных или магматических горных пород из связанных вод, которые в условиях перекристаллизации породы переходят в свободные и включаются в геологический круговорот. Источником возрожденных вод являются воды конституционные, кристаллизационные, цеолитные, гигроскопические, пленочные, ка­пиллярные и частично свободные тонких пор и капилляров.

Региональные закономерности подземных вод исследовались во многих странах, но наибольших успехов в этом направлении добились, пожалуй, русские исследователи. К первым широким обобщениям этого плана относятся работы С.Н. Никитина (1900 г.), Н.Ф. Погребова (1902 г.), И.В. Мушкетова (1905 г.) и других исследователей, которые дали представление о закономер­ностях распространения и географической зональности подземных вод, их составе, глубине залегания и тем самым заложили реальные основы региональной гидрогеологии. Особенно велика роль С.Н. Никитина, которого по праву называют основоположником отечественной гидрогеологии. В его понимании, гидрогеология — наука "о подземных водах, их происхождении, условиях залегания и распределении в недрах земных, их движении и выхода на поверхность в виде источников". Основным законом гидрогеологии С.Н. Никитин считал круговорот воды, а также ее зональность (гидродинамическая и гидрогеохимическая). Работы великого русского ученого-почвоведа В. В. Докучаева о зональности почв оказали глубокое влияние на развитие учения о зональности грунтовых вод, которое с успехом развивали П.В. Отоцкий, B.C. Ильин, Ф.П. Саваренский, Г.Н. Каменский и др.

Среди работ начала XX в. особняком стоят исследования аме­риканского геохимика Ф.У. Кларка» впервые рассчитавшего средние содержания химических элементов в горных породах, морских и поверхностных водах. Тем самым в научный обиход была введена новая константа, характеризующая состав земных объектов, — кларк, играющая важную роль и в гидрогеологии.

В это же время значительный вклад в науку о подземных водах внесли французские (А. Маже, Л. Поше, Р. Чало, Ж. Буссинеск и др.), немецкие (К. Кейльгак, Е. Принц, Е. Люгер и др.), американские (Ч. Слихтер, Д. Мид, О. Мейнцер и др.), русские (П.Н. Чирвинокий, П.И. Бутов, Н.Ф. Погребов, А.Н. Семихатов, А.Ф. Лебедев, Ф.П. Саваренский, Г.Н. Каменский и др.) иссле­дователи. Особенно популярными были работы К. Кейльгака "Подземные воды и источники суши", выдержавшая три издания (1912» 1917, 1935 гг.), Е. Принца "Гидрогеология" (1922 г.) и О.Е Мейнцера "Гидрогеологические понятия, определения и термины" (1923 г.). Эти и другие труды зарубежных ученых (Ч. Слихтера, В. Рихтера, Г. Гёфера) были переведены и изданы на русском языке.

Среди работ русских исследователей можно назвать первый учебник по гидрогеологии П.Н. Чирвинского [19], "Подземные воды СССР", А.Н. Семихатова (1925 г.), "Краткий курс общей гидрогеологии" O.K. Ланге (1931 г.) и др. Однако наибольшее значение имела книга А.Ф. Лебедева "Почвенные и грунтовые воды" (1936 г.), в которой он поставил последнюю точку в тысячелетней дискуссии о механизмах проникновения воды в Зем­лю: он доказал, что подземные воды передвигаются под действием не только силы тяжести, но также и сил молекулярного притяжения в виде пленочной или парообразной воды, Им же было разработано учение о видах воды в горных породах, сохраняющее свое значение и до настоящего времени.

В 30-е годы наиболее выдающиеся работы, без всякого сомне­ния, созданы одним из наиболее гениальных людей XX в. — русским ученым В.И. Вернадским (1863-1945 гг.). Его труд "Ис­тория природных вод", опубликованный в 1933-1936 гг. по широте и глубине охвата гидрогеологических проблем намного превосходит все когда-либо издававшиеся работы и занимает выда­ющееся место в науке в целом. В этой работе В.И. Вернадский наиболее полно показал значение подземных вод в геологической истории Земли. На основании большого количества эмпирических фактов он обосновал положение о единстве природных вод, что является крупнейшим вкладом в мировую науку. Он же первый обосновал принцип постоянства химического состава вод в определенную геологическую эпоху и создал целое новое направление в изучении природного равновесия: вода—горная порода—газы—живое вещество. В. И. Вернадский первый показал связь химического состава вод с развитием жизни на Земле и поэтому по праву считается основоположником особой отрасли знаний — гидрогеохимии, кото­рая изучает природные воды как подвижные системы, находящиеся в равновесии с другими составляющими земной коры.

Идеи В. И. Вернадского, хотя и получили широкое признание во всем мире, но они до сих пор осознаны не полностью и не все из них вошли в обиход повседневной научной работы. Его книга "История природных вод" — современная энциклопедия по гео­логии воды признается важнейшим трудом, завершающим станов­ление современной гидрогеологии. В СССР идеи В. И. Вер­надского наиболее полно развивали крупные ученые Н.Н. Славянов, Б.Л. Личков, А.М. Овчинников, Н.И. Толстихин, Е.В. Пиннекер, А. И. Перелъман, И. К. Зайцев, Е.А. Басков, П.А. Удодов и многие другие.