Гідрогеологія

Гідрогеологія(від др.-грец. ὕδωρ «водність» + геологія) - наука, що вивчає походження, умови залягання, склад і закономірності рухів підземних вод. Також вивчається взаємодія підземних вод із гірськими породами, поверхневими водами та атмосферою.

У сферу цієї науки входять такі питання, як динаміка підземних вод, гідрогеохімія, пошук та розвідка підземних вод, а також меліоративна та регіональна гідрогеологія. Гідрогеологія тісно пов'язана з гідрологією та геологією, у тому числі і з інженерною геологією, метеорологією, геохімією, геофізикою та іншими науками про Землю. Вона спирається на дані математики, фізики, хімії та широко використовує їх методи дослідження.

Дані гідрогеології використовуються, зокрема, для вирішення питань водопостачання, меліорації та експлуатації родовищ.

1. Підземні води

Підземними вважаються всі води земної кори, що знаходяться нижче поверхні Землі в гірських породах у газоподібному, рідкому та твердому станах. Підземні води становлять частину гідросфери - водної оболонки земної кулі. Запаси прісної води у надрах Землі становлять до 1/3 вод Світового океану. В Україні відомо близько 3367 родовищ підземних вод, з них експлуатується менше 50%. Іноді підземні води викликають зсуви, заболочування територій, осаду грунту, вони ускладнюють ведення гірничих робіт у шахтах, зменшення припливу підземних вод проводять осушення родовищ і споруджують водоотливы.

2. Історія гідрогеології

Накопичення знань про підземні води, що почалося з найдавніших часів, прискорилося з появою міст та поливного землеробства. Зокрема, свій внесок зробила споруда копаних колодязів, що будувалися в 2-3 тис. до н. е. в Єгипті, Середній Азії, Китаї та Індії та досягалиглибин у кілька десятків метрів. Приблизно у цей період з'явилося лікування мінеральними водами.

Перші уявлення про властивості та походження природних вод, умови їх накопичення та кругообіг води на Землі були описані в роботах давньогрецьких вчених Фалеса та Аристотеля, а також давньоримських Тита Лукреція Кара та Вітрувія. Вивченню підземних вод сприяло розширення робіт, пов'язаних із водопостачанням у Єгипті, Ізраїлі, Греції та Римській імперії. Виникло поняття про ненапірні, напірні і самовиливні води. Останні отримали XII столітті зв. е. назва артезіанських - від назви провінції Артуа (давня назва - Артезія) у Франції.

В Україні перші наукові уявлення про підземні води як про природні розчини, їх утворення шляхом інфільтрації атмосферних опадів і геологічної діяльності підземних вод були висловлені М. В. Ломоносовим у творі «Про шари земні» (1763 р.). До середини XIX століття вчення про підземні води розвивалося як складова частина геології, після чого відокремилося в окрему дисципліну.

3. Розподіл підземних вод у земній корі

Підземні води у земній корі розподілені на двох поверхах. Нижній поверх, складений щільними магматичними та метаморфічними породами, містить обмежену кількість води. Основна маса води знаходиться у верхньому шарі осадових порід. У ньому виділяють три зони - верхню зону вільного водообміну, середню зону водообміну та нижню зону уповільненого водообміну.

Води верхньої зони зазвичай прісні та служать для питного, господарського та технічного водопостачання. У середній зоні розміщуються мінеральні води різного складу. У нижній зоні знаходяться високомінералізовані розсоли. З них добувають бром, йод та інші речовини.

Поверхня ґрунтових водназивається «дзеркалом ґрунтових вод». Відстань від дзеркала ґрунтових вод до водотривкого шару називають «потужністю водотривкого шару».

4. Формування підземних вод

Підземні води утворюються у різний спосіб. Один з основних способів утворення підземної води - просочування, або інфільтрація, атмосферних опадів та поверхневих вод. Вода, що просочується, доходить до водотривкого шару і накопичується на ньому, насичуючи породи пористого і пористо-тріщинуватий характеру. Так з'являються водоносні шари, або горизонти підземних вод. Крім того, підземні води формуються шляхом конденсації водяної пари. Вирізняються також підземні води ювенільного походження.

Два основних способи утворення підземних вод - шляхом інфільтрації та за рахунок конденсації водяної пари атмосфери в породах - головні шляхи накопичення підземних вод. Інфільтраційні та конденсаційні води називаються вадозними водами (лат. vadare - йти, рухатися). Ці води утворюються з вологи атмосфери та беруть участь у загальному кругообігу води в природі.

4.1. Інфільтрація

Підземні води формуються з вод атмосферних опадів, що випадають на земну поверхню і просочуються в ґрунт на деяку глибину, а також з вод боліт, річок, озер та водосховищ, що також просочуються в землю. Кількість вологи, що потрапляє таким чином у ґрунт, становить 15-20 % від загальної кількості атмосферних опадів, що випали.

Проникнення вод у ґрунти залежить від фізичних властивостей цих ґрунтів. Щодо водопроникності ґрунти поділяються на три основні групи - водопроникні, напівпроникні та водонепроникні або водотривкі. До водопроникних пород відносяться великоуламкові породи, галечник, гравій, піски і тріщинуваті породи. До водонепроникних пород - щільні магматичні таметаморфічні породи, такі як граніт та мармур, а також глини. До напівпроникних пород відносяться глинисті піски, лес, пухкі пісковики і пухкі мергелі.

Кількість води, що просочився в ґрунт, залежить не тільки від його фізичних властивостей, а й від кількості атмосферних опадів, нахилу місцевості та рослинного покриву. При цьому тривалий дощ, що мрячить, створює кращі умови для просочування, ніж рясна злива.

Круті схили місцевості збільшують поверхневий стік і зменшують просочування атмосферних опадів у ґрунт, а пологі, навпаки, збільшують просочування. Рослинний покрив збільшує випаровування вологи, що випала, але, в той же час затримує поверхневий стік, що сприяє просочуванню вологи в грунт.

Для багатьох територій земної кулі інфільтрація є основним способом утворення підземних вод.

Підземні води також можуть утворюватися за рахунок штучних гідротехнічних споруд, наприклад, таких як зрошувальні канали.

4.2. Конденсація водяної пари

Другий шлях утворення підземних вод - це конденсація водяної пари в гірських породах.

4.3. Ювенільні води

Ювенільні води – ще один спосіб утворення підземних вод. Такі води виділяються при диференціації магматичного вогнища і є первинними. У природних умовах чистих ювенільних вод не існує: підземні води, що виникли різними способами, поєднуються один з одним.

5. Класифікація підземних вод

Виділяється чотири типи підземних вод: верховодка, ґрунтові, напірні (артезіанські) та підземні води вічної мерзлоти.

За умовами залягання: порові, пластові, тріщинні.
Залежно від ступеня мінералізації: прісні, солоні, солонуваті та розсоли.
затемпературі: переохолоджені, холодні та термальні.
Залежно від якості: технічні та питні.

5.1. За походженням

5.2. Верховодка

Верховодка - підземні води, що залягають поблизу поверхні землі і відрізняються непостійністю поширення та дебіту. Верхівка приурочена до першого від поверхні землі водостійкого пласта і займає обмежені території. Верховодка існує в період достатнього зволоження, а посушливий час зникає. У тих випадках, коли водостійкий пласт залягає поблизу поверхні або виходить на поверхню, розвивається заболочування. До верхівки також нерідко відносять ґрунтові води, або води ґрунтового шару, представлені майже пов'язаною водою, де крапельно-рідка вода присутня тільки в період надмірного зволоження.

Води верхівки зазвичай прісні, слабомінералізовані, але часто бувають забруднені органічними речовинами і містять підвищені кількості заліза та кремнекислоти. Як правило, верхівка не може бути хорошим джерелом водопостачання. Однак при необхідності вживаються заходи для штучного збереження цього типу вод: влаштовують ставки, відводи з річок, що забезпечують постійним харчуванням колодязі, що експлуатуються, насадження рослинності або затримують сніготанення.

5.3. Грунтові води

Ґрунтовими водами називаються води, що залягають на першому водостійкому горизонті нижче верхівки. Вони характеризуються більш менш постійним дебітом. Ґрунтові води можуть накопичуватися як у пухких пористих породах, так і у твердих тріщинуватих колекторах. Рівень ґрунтових вод схильний до постійних коливань, на нього впливають кількість і якість опадів, що випадають, клімат, рельєф, наявність рослинного покриву і господарська діяльність людини.Ґрунтові води є одним із джерел водопостачання, виходи підземних вод на поверхню називаються джерелами, або ключами.

5.4. Артезіанські води

Напірні (артезіанські) води - води, які знаходяться у водоносному шарі, укладеному між водотривкими шарами, і відчувають гідростатичний тиск, зумовлений різницею рівнів у місці живлення та виходу води на поверхню. Характеризуються сталістю дебіту. Область живлення у артезіанських вод, розміри басейнів яких досягають іноді тисячі кілометрів, лежить зазвичай вище за область стоку води і вище виходу напірних вод на поверхню Землі. Області харчування артезіанських басейнів іноді значно віддалені від місць отримання води — зокрема, в деяких оазах Сахари отримують воду, що випала у вигляді опадів над Європою.