Материал: Общая гидрогеология Кирюхин В.А..docx101

Основные гидрогеологические закономерности. Общие закономерности распространения и формирования подземных вод, условия питания и разгрузки, вертикальная зональность, об­щие особенности гидрогеологического режима. Гидрогеологиче­ское районирование территории на основании выявленных зако­номерностей.

Народнохозяйственное значение подземных вод. Исполь­зование подземных вод в хозяйственно-питьевых целях, для ороше­ния, в лечебных целях, для извлечения промышленно-ценных ком­понентов, для получения тепловой энергии. Перспективы добычи подземных вод разного назначения. Возможное негативное влияние подземных вод при строительстве, добыче полезных ископаемых,

освоении земель и пути его ослабления или устранения. Возмож­ность применения поисковых гидрогеохимических методов для рай­онов, перспективных на рудные полезные ископаемые, соли, нефть. Эколого-гидрогеологическое состояние подземной гидросферы (при отсутствии специальных работ по ЭГИК).

Заключение. Рекомендации по рациональному использова­нию и охране подземных вод, по дальнейшим гидрогеологическим, эколого-гидрогеологическим исследованиям и перспективам гидро­геологических работ на рассматриваемой территории.

Объяснительная записка сопровождается рисунками, мелко­масштабными схемами, каталогами опорных водопунктов и табли­цами химических анализов воды по опорным водопунктам и пр.

В объяснительной записке к гидрогеологической карте спе­циального назначения указанные выше сведения излагаются по воз­можности кратко, но вводятся специальные главы, например, «Карст», «Гидрогеохимическиё ореолы рассеяния», «Мелиоратив­ное районирование», «Закономерности распространения углекисло­го газа в подземных водах» и т.д.

Отчеты по гидрогеологической съемке защищаются на науч­но-технических советах производственных геологических организа­ций, заказчика (федерального или регионального агентства по не­дропользованию), ВСЕГИНГЕО.

ния полевых экспериментов. К основным видам полевых методов опробования можно отнести опытные откачки, наливы в шурфы, нагнетания, экспресс-опробование гидрогеологических скважин, миграционные эксперименты и режимные наблюдения. Эти иссле­дования проводятся при решении самого широкого круга гидрогео­логических задач: разведке месторождений питьевых, промышлен­ных и минеральных вод; изучении и прогнозе распространения за­грязняющих компонентов в подземных водах; анализе гидрогеоло­гических условий эксплуатации месторождений твердых полезных ископаемых и др. Здесь мы не будем подробно останавливаться на методах интерпретации опытных работ - этот материал дается в курсе динамики подземных вод.

Откачки могут быть классифицированы по целевому назна­чению и по особенностям постановки эксперимента. В первом слу­чае по целевому назначению их можно разделить на пробные, опыт­ные и опытно-эксплуатационные. В процессе откачек ведутся на­блюдения за расходом и изменениями уровней воды в откачиваю­щих и наблюдательных скважинах. Пробные откачки обычно кратковременные - одна-две смены. Основной определяемой харак­теристикой при их проведении часто является удельный дебит, ве­личина которого позволяет ориентировочно оценить проводимость пласта по эмпирической зависимости Т— (100 ± 20)q. Подобные от­качки обычно проводятся на поисковой стадии гидрогеологических исследований.

Опытные откачки обычно имеют продолжительность 1-2 не­дели. При их интерпретации, как правило, используют аналитические решения, наиболее подходящие к гидрогеологическому разрезу уча­стка и учитывающие режим фильтрации (напорный, безнапорный, напорно-безнапорный), наличие в плане питающих или непроницае­мых границ, характер связи со смежными водоносными горизонтами. По результатам интерпретации могут быть получены следующие па­раметры: водоотдача, упругоемкость, проводимости основного и смежных горизонтов, уровне- или пьезопроводность, коэффициенты фильтрации разделяющих относительно водоупорных пластов.

Опытно-эксплуатационные откачки проводят на заключи­тельной стадии оценочных работ. Их продолжительность составляет

ГН» Ё=1 2 Цз 14 5^6

Рис 75 Разрез по опытному гидрогеологическому кусту в водоносном горизонте грунтовых вод

I - пески, 2 - глины (водоупор), 3 - центральная скважина, из которой производится откачка воды, 4 - наблюдательные скважины, 5 - уровень грунтовых вод до начала откачкн, 6 - депресснонная воронка

Наливы в шурфы используются для изучения условий пита­ния подземных вод, а также на участках строительства хвостохрани- лищ, где требуется оценка фильтрационных свойств пород зоны аэрации. Разработано несколько методов постановки подобных экс­периментов, различающихся применяемым оборудованием и мето­дикой интерпретации результатов. Эксперименты, как правило, про­водят при постоянном уровне воды в шурфе до стабилизации расхо­да. Основной определяемый параметр - коэффициент фильтрации при полном водонасыщении.

Нагнетания в скважины часто проводят для обоснования строительства гидротехнических сооружений. Основная цель этих работ - дифференциация геологического разреза по трещиновато­сти, что требует поинтервального опробования, для чего отдельные интервалы изолируются с помощью специальных пакеров. Нагнета­ние обычно ведут при нескольких ступенях повышения давления на устье скважины, причем каждая ступень продолжается до стабили­зации расхода поглощения.

Экспресс-опыты часто используют для оценки фильтраци­онных свойств пород на участках загрязнения подземных вод и строительства, когда необходимо опробовать слабо водообильные горизонты, сложенные тонкозернистыми песками и супесями. Сна­чала в скважине быстро создается гидродинамическое возмущение (понижение или повышение уровня за счет откачки или налива со­ответственно), а затем ведутся наблюдения за восстановлением уровня. Такие эксперименты относительно дешевы и просты в ис­полнении, хотя достоверность получаемой информации не слиш­ком высока.

Опытно-миграционные работы позволяет установить ми­грационные параметры горных пород: активную пористость, коэф­фициент гидродисперсии, коэффициент задержки (за счет проявле­ния сорбционных процессов), параметры массообмена в гетероген­ных средах. В качестве индикаторов обычно используют инертные трассеры (хлориды, бромиды), сорбируемые индикаторы, радиоак­тивные метки. Основные требования - возможность экспрессного анализа проб на месте проведения экспериментов и экологическая безопасность. Миграционные опыты проводятся либо в естествен­

ном потоке, либо в процессе ■ проведения опытно-фильтраци- онных работ. Опыт в естествен- ном потоке позволяет изучить миграционный процесс в усло- виях, наиболее приближенных к природным, и наряду с перечис- ленными параметрами опреде- лить направление и скорость миграции загрязнителя в естест- венном потоке. Основным не- достатком таких экспериментов является их длительность (до нескольких месяцев).

Эксперименты в возму-

щенном потоке обычно ведут по одной из следующих схем:

• односкважинный эксперимент в режиме закачка-откачка;

запуск индикатора в центральную скважину, работающую в режиме закачки;

запуск индикатора в наблюдательную скважину и наблю­дение за его приходом в центральную (откачивающую) скважину;

дуплетное опробование, когда индикатор запускается в на­гнетательную скважину, а контроль за распространением индикато­ра осуществляется по откачивающей скважине.

По результатам экспериментов строят графики зависимости концентрации индикатора в наблюдательных скважинах от времени, которые интерпретируются с использованием соответствующих аналитических или численных решений (рис.76).

9.4 Геофизические работы

Изучение динамики и химического состава подземных вод основано на данных о распределении пьезометрического уровня в водоносных горизонтах в естественном и в возмущенном (например, при откачках из скважин) состоянии и на результатах гидрохимиче­ского опробования подземных вод. Эти традиционные методы дают

непосредственную информацию об условиях гидрогеологических объектов, характере водоносных горизонтов и т.д. Однако эту ин­формацию можно получить, только опираясь на сеть наблюдатель­ных скважин. Очевидно, что количество скважин на единицу ис­следуемой площади определяет детальность сведений о гидроста­тическом напоре в водоносном горизонте. Стоимость бурения скважин высока, поэтому в рамках любого проекта число скважин ограничено. Кроме того, сама скважина может вносить искажаю­щее влияние в исследуемые параметры, например, в результате из­менения коэффициента фильтрации в прискважинной зоне (так на­зываемый скин-эффект).

Для преодоления этих трудностей привлекают геофизиче­ские методы (ГМ), которые позволяют получить информацию о гид­рогеологических параметрах на участках между скважинами на ос­нове измерения и анализа параметров физических полей (см. раз­дел 3.3). Достоинством ГМ является их относительно невысокая стоимость, возможность получения информации по густой сети на­блюдений, их неразрушающий характер. В то же время ГМ не по­зволяют непосредственно определить параметры, интересующие гидрогеолога, например пьезометрический уровень в водоносном горизонте, коэффициент фильтрации, общую минерализацию или состав подземных вод. Это значит, что ГМ дает информацию, харак­теризующую условия гидрогеологических объектов косвенным об­разом, на основе распределения физических свойств пород и грун­тов. К числу таких свойств относятся скорость распространения уп­ругих волн, плотность, удельное электрическое сопротивление, ди­электрическая проницаемость, параметры электрической поляризации физико-химической природы и др.

Дадим краткую характеристику связи геофизических и гид­рогеологических параметров. Плотность пород зависит от их мине­рального состава, пористости и водонасыщенности. Поэтому, на­пример, изучая распределение плотности в массиве водонасыщен­ных пород, предполагая постоянным минеральный состав, можно получить представление о пористости пород. Получение картины распределения плотности на основе измерения ускорения свободно­го падения на поверхности Земли составляет суть гравиразведки.

Плотность и скорость распространения упругих волн зависят от одних и тех же факторов. Следовательно, по данным о распреде­лении скорости упругих волн в массиве пород можно судить о рас­пределении литологических разностей пород или их пористости. Изучением распределения скорости упругих волн занимается сейс­моразведка. Породы различаются по удельному электрическому со­противлению, которое зависит от минерализации подземных вод, пористости, влажности, содержания глины в породах. Следователь­но, анализируя распределение удельного электрического сопротив­ления и, привлекая дополнительную информацию, можно судить об указанных параметрах. Например, если для водоносного горизонта, представленного чистым песчаником, известны распределение удельного сопротивления и минерализации подземных вод, то мож­но оценить распределение пористости в водоносном горизонте. Ин­формацию об удельном электрическом сопротивлении позволяют получать методы электроразведки на постоянном токе и индуктив­ные методы электроразведки.

Движение подземных вод приводит к возникновению элек­трического поля, которое принято называть естественным. То же название носит метод, основанный на изучении этого поля. Природа явления связана с тем, что вода, содержащаяся в порах породы, со­держит электрический заряд. Электрическое поле возникает в ре­зультате механического переноса заряда, вызванного движением подземных вод (электрический ток фильтрации). Установлено, что, измеряя на поверхности Земли напряженность естественного элек­трического поля, можно судить о распределении гидростатического напора в водоносных горизонтах. Кроме того, электрическое поле возникает, когда порода контактирует с водой различной минерали­зации. Эта ситуация возникает, например, когда водоупорный гори­зонт глин разделяет водоносные горизонты с водой различного хи­мического состава. Этот вид поля часто используют при исследова­нии скважин.

Диэлектрическая проницаемость пород определяет скорость распространения электромагнитных волн в массиве пород. В свою очередь, диэлектрическая проницаемость зависит от объемного со­держания воды в породе, т.е. непосредственно связана с пористо­

стью полностью водонасыщенной породы или с влажностью нево­донасыщенной породы. Указанная физическая закономерность со­ставляет основу радиолокационного метода.

Несмотря на разнообразие физических явлений, используе­мых в геофизических методах, методология их применения пример­но одинакова:

1. В полевых условиях следует с необходимой точностью измерить значения параметров физических полей, которые связаны с распределением соответствующих физических свойств в массиве пород. В этом состоит суть методики полевых работ.

В результаты полевых измерений необходимо внести по­правки, которые позволят учесть факторы, не интересующие гидро­геолога, но искажающие измеряемые параметры полей. Такими фак­торами могут быть, например, помехи электромагнитной природы, вибрация, создаваемая транспортом и т.д., т.е. техногенные. Кроме того, геофизические поля отражают геологическую информацию, не относящуюся к объекту исследований. Например, в гравитационном поле платформы находят отражение и глубокозалегающие структу­ры фундамента, и неоднородности в строении осадочного чехла. Понятно, что в рамках одного проекта предметом исследования яв­ляются либо глубинные, либо относительно приповерхностные объ­екты. Поэтому, как правило, в распределении измеренного парамет­ра необходимо выделить составляющую, отражающую целевой объ­ект. Этот этап называют обработкой данных.

Необходимо провести физико-математическую интерпре­тацию полевых данных, которая состоит в преобразовании измерен­ных в поле параметров в картину распределения физических свойств в массиве пород. Особенность этой стороны геофизических методов состоит в невозможности получения однозначной информации о распределении физических свойств. Поэтому на этом этапе обяза­тельно привлекают геологические и гидрогеологические данные, которые позволяют выбрать наиболее достоверное распределение. Эта область геофизики в настоящий момент переживает быстрое развитие, связанное с использованием новых технических средств измерения и новых математических методов интерпретации данных, которые позволяют детально восстанавливать распределение физи­

ческих свойств в массиве пород. Указанный подход, называемый томографическим, требует использования густой сети наблюдений (на поверхности, а также в сочетании наблюдений на поверхности и в скважинах). Томографический подход в геофизике имеет много общего с методами медицинской томографии, дающими информа­цию о внутреннем строении тела человека.

Геофизические методы играют важную роль при изучении скважин. Казалось бы, по керну, извлекаемому из скважин, гидро­геолог может получить всю необходимую информацию о разрезе. Однако этому препятствует ряд причин. Так, часто выход керна ока­зывается не очень большим. Чаще всего это происходит тогда, когда скважина встречает породы, подвергнувшиеся изменению (выветри­вание, дробление), или когда скважина проходит через рыхлые по­роды. Кроме того, по скважине сложно непосредственно оценить интервалы водопритоков. Для исследования скважины и околосква- жинного пространства используют несколько геофизических мето­дов. Гамма-каротаж (ГК) позволяет измерить радиоактивность гор­ных пород. Глины, обладающие большой сорбционной способно­стью, аккумулируют радиоактивные минералы. Поэтому признаком толщи глин являются повышенные значения радиоактивности. Ка­ротаж удельного электрического сопротивления (КС) также позво­ляет выделять слои глин, поскольку последние в большинстве слу­чаев обладают более низким сопротивлением, чем песчаники и из­вестняки. При каротаже измеряют также естественное электриче­ское поле (метод собственных потенциалов), анализ которого позволяет судить о положении в разрезе водоносных горизонтов. Для оценки водопритоков в скважину используется расходометри­ческий метод, позволяющий измерить дебит воды вдоль оси сква­жины. Применяют также резистивиметрический и термометриче­ский каротаж, т.е. измерение удельного сопротивления воды и ее температуры вдоль оси скважины. По этим данным можно также судить об интервалах водопритоков в скважину. Геофизический ка­ротаж дополняется техническими методами, позволяет изучать гео­метрию и состояние скважины. К их числу относятся инклиномет­рия (определение угла наклона скважины) и кавернометрия (опреде­ление диаметра скважины).

На заключительном этапе полученное распределение физи­ческих свойств должно быть подвергнуто гидрогеологическому ис­толкованию. Как мы видели, физические свойства, определяемые с помощью геофизических методов, зависят от многих параметров: плотности, пористости, коэффициента фильтрации, влажности и др. Для того, чтобы разделить влияние этих параметров, как правило, привлекают результаты нескольких методов. Совместный анализ позволяет получить достоверные оценки параметров гидрогеологи­ческих объектов.

Более подробно использование геофизических методов отра­жено в специализированной литературе, в частности в учебнике [32].

9.S. РЕЖИМНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ И МОНИТОРИНГ

Режим подземных вод представляет собой весьма важную характеристику их поведения во времени и пространстве. Подземная гидросфера находится в тесной взаимосвязи с другими оболочками Земли, и потому чутко реагирует на все внутренние и внешние воз­действия. Эта реакция может быть зафиксирована в изменении по­ложения уровня подземных вод, их температуры, химического и га­зового состава, минерализации, дебита источников, расхода изли­вающих скважин и др. (см. раздел 7.3). Анализ временных графиков поведения отдельных компонентов представляет весьма важную информацию для решения ряда вопросов формирования подземных вод. Как врач по различным признакам судит о состоянии здоровья пациента, так и гидрогеолог по поведению подземных вод может сделать важные выводы о структуре водного баланса изучаемого объекта, процессах формирования химического состава подземных вод, влиянии на их режим различных природных и техногенных факторов.

При изучении поведения вод зоны аэрации и грунтовых вод, особое внимание обращают на роль экзогенных факторов (климати­ческих и техногенных). С глубиной их роль постепенно ослабевает и растет интерес к эндогенным факторам (землетрясениям, вулканиз­му, неотектоническим движениям, проявлениям мантийного диапи- ризма и др.). В глубоких слоях подземной гидросферы могут быть

получены весьма ценные сведения о влиянии на движение и состав подземных вод космических тел. Каждая водоносная система живет своей жизнью и знание этих особенностей, позволяет решать раз­личные практические и научные проблемы. В частности, анализируя их, можно заглянуть в гидрогеологическое прошлое водоносных систем, оценить их сегодняшнее состояние и дать прогноз на буду­щее. Третий закон гидрогеологии (см. гл.З) говорит о циклах и рит­мах подземной гидросферы, сезонных, годовых и многолетних. Что­бы выявить циклы нужен длительный ряд наблюдений. В нашей стране они начались в конце XIX в. Систематически они стали про­водиться с середины прошлого столетия. Для этой цели были орга­низованы полигоны наблюдений на наиболее типичных для изучае­мого региона водоносных горизонтах. В сеть режимных наблюде­ний было включено более десятка тысяч различных водопунктов (скважин, источников и др.). Кратковременные режимные наблю­дения были связаны с производством гидрогеологической съемки, разведки месторождений полезных ископаемых, велись также на участках гидротехнического, мелиоративного и другого строительст­ва. В 60-х гг. XX в. начали появляться монографии, обобщавшие ре­зультаты наблюдений за режимом подземных вод (А.А. Коноплянцев,

О.В. Попов, B.C. Ковалевский, С.М. Семенов и др.).

Примерно 15-20 лет тому назад начала создаваться новая система — Государственный мониторинг геологической среды, со­ставной частью которого стала гидрогеологическая режимная сеть. Она унаследовала задачи и функции прежних режимных наблюде­ний: контроль подземных вод от истощения и загрязнения и ведение государственного водного кадастра. Поэтому многие нормативные методические документы по изучению уровня, состава, температуры и других показателей подземных вод сохранили свое значение. Но­выми стали управленческие функции. Они регламентируют изуче­ние геологической среды (подземной гидросферы) и прогнозирова­ние изменения гидрогеологических условий под воздействием тех­ногенной нагрузки. На основании этих сведений принимаются ад­министративные решения и обосновывается выбор мероприятий по обеспечению экологической безопасности условий водопользова­ния. Изменение социально-экономической обстановки в стране по­

родило ряд новых проблем, в частности правового порядка (появле­ние права на земельную собственность, закрытость некоторых све­дений о технологии производства, могущего оказывать вредное воз­действие на окружающую среду и др.). Согласно лицензионной сис­теме недропользования предприятие, которое эксплуатирует недра, обязано вести мониторинг геологической среды и представлять не­обходимую информацию в территориальные центры мониторинга, что делается часто некачественно и несвоевременно.

Количество и качество информации, которое может бьггь по­лучено в результате мониторинга, зависит от направленности прово­димых исследований. Так, при изучении подземных вод хозяйствен­но-питьевого назначения, должны быть составлены эколого­гидрогеологические карты различного типа (гидрогеологическая, гидрогеохимическая очагов загрязнения подземных вод, водохозяйст­венная и др.). Материал по территории обследуемого объекта должен быть представлен в виде данных о динамике и химии подземных вод, фильтрационных свойствах водовмещающих пород, характере и па­раметрах очагов загрязнения, гидравлической связи между водонос­ными горизонтами, подземными и поверхностными водами. В техни­ческих паспортах водозаборных скважин и других водопунктов должны быть отражены результаты регулярных наблюдений за под­земными водами, опытных фильтрационных и миграционных работ по участку эксплуатируемого месторождения. Обобщенные фактиче­ские материалы представляются также по данным наблюдений на ре­презентативных водопунктах, лабораторным анализам проб воды, газов и грунтов и графиков временного прослеживания изменения отдельных показателей. По результатам исследований и наблюдений формулируются выводы о техническом состоянии эксплуатируемого водозабора, предлагаются и уточняются схемы водоснабжения и во­доотведения, дается прогноз об изменении гидрогеологических усло­вий в результате дальнейшей эксплуатации месторождения, обосно­вываются методы водоподготовки для улучшения качества воды, рас­сматриваются возможные техногенные источники загрязнения под­земных вод и методы устранения их вредного воздействия.

Геологическая среда является лишь одним компонентом Го­сударственного мониторинга. В него включено также изучение ат-

мосфернмх явлений, деятельности биосферы, состояния наземной гидросферы. Для этой цели функционирует многочисленная сеть наблюдательных постов и станций. По данным на начало 2000 г., эта сеть состояла из 521 пункта для замера степени загрязненности воз­духа, 1145 водных объектов для изучения состава поверхностных вод, 160 станций прибрежных районов для анализа загрязненности морских вод, 154 пунктов наблюдений за составом почв на террито­риях сельскохозяйственных предприятий и 220 участков, в том чис­ле заповедников, для изучения техногенного загрязнения почв, 30 участков для анализа состояния растительного покрова, 145 пунк­тов для определения кислотности дождей, 554 объектов для уста­новления степени загрязненности снежного покрова, 1297 пунктов для замера гамма-излучения [41]. Этот длинный перечень видов на­блюдений, которые проводит Федеральная служба для изучения природной обстановки и ее изменение под влиянием техногенной нагрузки показывает, в каких направлениях действует Государст­венный мониторинг.

Следует иметь в виду, что в каждой точке наблюдений прово­дятся регулярные замеры и наблюдения с отбором проб на десятки различных показателей. Кроме Федеральной режимной сети сущест­вует также система мониторинга на региональном уровне, а также отдельные точки наблюдений на локальном уровне (объекты пред­приятий и учреждений). Все эти сведения до 90-х гг. XX в. публико­вались в ежегодниках Гидрометеослужбы страны или в соответст­вующих справочниках (гидрологических, метеорологических и т.д.) с сообщением данных по длинному ряду наблюдений. Эти материалы и сейчас можно найти в различных библиотеках. В последние годы сбор, накопление и обработка фактических данных мониторинга про­водится с помощью компьютерных технологий. Информационные банки и сведения о результатах мониторинга находятся в разных мес­тах: центре, учреждениях Федеральных округов, областного подчине­ния, специальных организациях. Гидрогеологу, который начинает вести гидрогеологические исследования, крайне полезно ознакомить­ся с этими данными по конкретному району. Эти знания позволят ему установить важные природные закономерности и целенаправленно и успешно решать производственные и научные задачи.

9.6. Лабораторные исследования