Гидрогеология – неотъемлемая составляющая учения о строении Земли, ее генезисе и эволюции, основная специфика которой – анализ состава, свойств и динамики подземных вод. Казалось бы, такое узкопрофильное направление геологии могло появиться лишь недавно, когда разведывательно-изыскательские технологии достигли необходимого уровня развития. Однако летопись гидрогеологической практики уходит корнями во времена правления первой династии египетских фараонов.
Краткий экскурс в древнейшую историю
Согласно данным, полученным археологами, в III тысячелетии до нашей эры в Египте и Китае функционировали колодцы, глубина которых достигала нескольких десятков метров. Древние цивилизации уже оценили несомненную пользу водных масс, протекающих под землей, и спроектировали целую систему шадуфов и оросительных каналов, помогающую добывать питьевые и поливные жидкости со значительных глубин.
В I тысячелетии до н.э. легендарные ученые умы Древней Греции и Рима (Фалес, Аристотель, Лукреций) озадачились исследованием круговорота воды в природе и начали изучение подземной гидросферы. Самым существенным достижением римских гидротехников стало сооружение тоннеля сквозь гору Аффлиано, по которому поток струился самотеком.
В начале нашей эры изучением глубинных рек и озер заинтересовались арабские светила. Философ Аль-Бируни выдвинул гипотезу о том, что под земной поверхностью существует множество водяных резервуаров. А персидский исследователь Каради предложил несколько методик (включая бурение) поиска ископаемых под землей.
Изыскания современных гидрогеологов во многом подтвердили теории, выдвинутые древними учеными, а способы обнаружения и анализа грунтовых течений, разработанные тысячелетия назад, в усовершенствованном виде применяются до сих пор.
Научный прогресс - от средневековья до позднего современного периода
Водосборные системы, функционировавшие в древних цивилизациях, бесспорно, свидетельствуют об умении обнаруживать и обрабатывать запасы подземных вод. Однако с точки зрения получения научных знаний гидрогеология стала развиваться гораздо позже.
В нижеприведенной таблице представлены наиболее значимые работы ученых XVI-XIX веков в сфере анализа процессов, вовлеченных в гидрологический цикл.
| Гидрогеолог, страна | Тема научной работы | Время издания |
|---|---|---|
| Г. Агрикола, Германия | Изучал генезис гидросферы, произошедший благодаря инфильтрации и конденсации рудничных водных ресурсов |
XVI в.
|
| П. Перро, Франция | Основоположник научной гидрогеологии, автор трудов об основах круговорота воды в природе |
XVII в.
|
| Р. Бойль, Ирландия | Разработчик истории развития природных водяных течений |
XVII в.
|
| Э. Мориотт, Франция | Первым рассчитал водный баланс и научно обосновал инфильтрационное зарождение глубинных рек |
XVII в.
|
| Д. Бернулли, Швейцария | Создал основы гидродинамики и вывел уравнение стационарного движения идеальной жидкости |
XVIII в.
|
| А. Лавуазье, Франция | Доказал сложнокомпонентную структуру H2O, состоящую из химических элементов |
XVIII в.
|
| Ж.Б. Ламар, Франция |
Официально ввел определение гидрогеологии. Был автором учения нептунистов, основной постулат которого - "Земля получила свой нынешний облик, благодаря влиянию водных ресурсов"
|
XIX в.
|
| Дж. Берцелиус, Швеция | Исследовал химическую природу органического вещества глубинных источников |
XIX в.
|
| Ж. Дюпюи, Франция | Родоначальник теоретического исследования процесса фильтрации |
XIX в.
|
| А. Дарси, Франция | Обосновал теорию, связывающую скорость фильтрации жидкости в пористой среде с градиентом давления |
XIX в.
|
| Э. Зюсс, Австрия | Разработал гипотезу ювенильных вод |
XX в.
|
| Ж. Буссинеск, Франция | Дал определение неустановившемуся и установившемуся продвижению глубинных течений со свободной поверхностью |
XX в.
|
| Ф.У. Кларк, Америка | Основатель геохимии, полномасштабно изучивший структуру земной коры |
XX в.
|
Гидрогеологическая практика и теория в России
Временем окончательного становления отечественной гидрогеологии как науки считаются XVIII—XIX вв. Основатель Московского университета М.В. Ломоносов написал грандиозный научный труд о земных слоях, где подробно разобрал структуру, особенности залегания и движения «природных растворов, образующихся посредством инфильтрации атмосферных осадков». Выдающийся исследователь природы также:
- разработал учение о значении потоков, протекающих под землей, в процессе рудообразования;
- исследовал водоемы под земной поверхностью на предмет их вклада в метаморфозы нашей планеты;
- обосновал генетическую взаимосвязь твердой и жидкой фаз H2O;
- выявил первопричины появления вечной мерзлоты и определил принципы ее регионального распространения.
Академик Императорской академии наук, ставший продолжателем ломоносовских идей, В.М. Севергин, создал первую классификацию минеральных источников. В XVIII столетии академик В.Ф. Зуев установил алгоритм влияния ландшафтно-климатических явлений на изменение грунтовых водяных ресурсов.
До 19 столетия наука о глубинной гидросфере была частью геологии, но благодаря достижениям российских ученых, она выделилась в обособленное учение.
Отечественные почвоведы П.В. Отоцкий и В.В. Докучаев обнаружили закономерность продвижения грунтовых рек и составили гидрогеологическую карту Европейской части России. Профессор А.Ф. Лебедев определил количественное соотношение конденсации и инфильтрации в насыщении резервуаров, расположенных под землей. Всемирно известный русский исследователь Севера А.Ф. Мнддендорф развивал учение о роли грунтовых рек в термическом режиме земной коры.
Легендарный химик Д.И. Менделеев также внес свою лепту в развитие гидрогеологии – его периодическая система элементов стала базой зарождающейся тогда гидрогеохимии.
Выдающиеся российские ученые И.В. Мушкетов, В.И. Вернадский, Н.Е. Жуковский, А.В. Львов, С.Н. Никитин внесли огромный вклад в развитие науки о подземных ресурсах. Они оценивали роль глубинных течений в геологических процессах, систематизировали знания об экосистеме, расположенной под землей.
Новый виток развития наука о режиме и балансе подземной гидросферы получила после Октябрьской революции. В России появились первые гидрогеологические научно-исследовательские организации, вузы приступили к подготовке специалистов соответствующего профиля. Страна активно развивалась, возводились новые города и промышленные предприятия, поэтому потребность в сведениях о динамике, свойствах и возможном использовании грунтовых ресурсов неуклонно росла.
Гидрогеология стала многогранной наукой, в ее рамках появились самостоятельные учения и узкоспециализированные подразделы. Начало XX столетия ознаменовалось значимыми достижениями в сфере геогидродинамики, в России началась реализация масштабных геологических проектов в самых разнообразных направлениях.
В 1931 г. был проведен первый Всесоюзный гидрогеологический съезд, постоянно публиковались монографии по изучению конкретных регионов. С временем начали открываться специализированные учреждения, был создан Всесоюзный научно-исследовательский институт гидрогеологии и инженерной геологии, во многих отечественных вузах начали готовить профильных специалистов.
Эволюция учения от времен первых пирамид до наших дней
Итак, применение грунтовых вод для практических целей началось в незапамятные времена. Изначально человек находил пресные, минеральные, термальные источники и резервуары в местах их природного выхода на поверхность. Затем люди научились добывать водные ресурсы из-под земли, строя колодцы, шурфы, тоннели, а позднее и скважины. С расширением сектора практического использования грунтовых вод разрабатывались новые способы их добычи, тестирования и отбора. В практику гидрогеологических изысканий вошли картирование территории, наблюдение за динамикой глубинных течений и лабораторный анализ водной структуры. Постепенно сложилась комплексная система исследований, в перечень которых вошли полевые, горные и буровые, опытно-фильтрационные работы, камеральные наблюдения.
Сегодня из-за развития промышленности и появления мегаполисов множество рек и озер превратилось в потоки непригодных жидкостей, из которых не только страшно пить, но и неприятно даже плавать в них.
Выход ученые видят в широком использовании подземных вод. Однако это требует тщательно продуманного регулирования расхода данного важнейшего ископаемого, его охраны, а также увеличения объемов искусственного воспроизводства глубинных водяных масс. Это и стало главнейшей задачей гидрогеологической практики.
А еще подземные водоемы таят в себе обширные запасы термальных ресурсов, которые можно направить на отопление городов. Перевод некоторых индустриальных процессов на применение природного тепла — еще одна грандиозная цель.
Существует еще множество проблем, требующих всестороннего изучения и решения. Здесь и организация орошения, и осушение земель, и охрана подземных течений от загрязнения.
В наши дни фокус практического значения этой науки сместился от обнаружения новых ресурсов и их рационального применения к задаче разумного управления конечными взаимосвязанными экоресурсами. В связи с этим сделаны выводы о необходимости реструктуризации существующей системы мониторинга гидрогеологических процессов, ведется активная цифровизация изыскательских технологий.
