Антонов В.В. Поиски и разведка подземных вод Уч пос 2006

Федеральное агентство по образованию

Государственноеобразовательноеучреждениевысшегопрофессиональногообразования Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В.Плеханова (технический университет)

В.В. АНТОНОВ

ПОИСКИ И РАЗВЕДКА ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Учебное пособие

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2006

УДК 553.7(075.80) ББК 26.35:26.34 А725

В учебном пособии охарактеризованы основные типы месторождений подземных вод, изложена методика гидрогеологических исследований, выполняемых на данных месторождениях, описаны современные приемы подсчета эксплуатационных запасов.

Главное внимание уделено характеристике основных промышленных типов месторождений подземных вод, методике их разведки и оценки эксплуатационных запасов. В учебном пособии также отражены требования к качеству подземных вод различного целевого назначения, прогноз изменения качества и санитарного состояния подземных вод, расчет зон санитарной охраны водозаборов.

Предназначено для студентов специальности 130302 «Поиски и разведка подземных вод и инженерно-геологические изыскания», а также для специалистов, занимающихся вопросами изыскания подземных вод.

Научный редактор проф. А.И.Коротков

Рецензенты: кафедра гидрогеологии (СПбГУ), доктор геол.-мин. наук проф. А.Н.Павлов (РГГМУ).

Антонов В.В.

А725. Поиски и разведка подземных вод: Учеб. пособие / СанктПетербургский государственный горный институт (технический университет). СПб, 2006. 94 с.

ISBN 5-94211-279-7

ISBN 5-94211-279-7	Санкт-Петербургский горный
	институт им. Г.В.Плеханова, 2006

2

1.ПОНЯТИЕ О МЕСТОРОЖДЕНИЯХ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

1.1.Определение понятия

Любое полезное ископаемое обладает способностью занимать определенное положение в геологическом пространстве, т.е. оно оказывается приуроченным к определенным геологическим структурам. Для твердых полезных ископаемых, нефти и газа подобная локализация является основой для выделения месторождений, понимаемых, прежде всего, как естественное скопление полезных компонентов в земной коре.

В отношении подземных вод мы также можем говорить об их способности занимать определенное место в пространстве. Однако, в отличие от большинства других полезных ископаемых, подземные воды обладают способностью к движению и к самовосполнению (самовозобновлению).

Способность к самовосполнению обусловлена взаимосвязью подземных вод с атмосферными осадками, поверхностными водотоками и водоемами, а также с соседними водоносными горизонтами. На процессы самовосполнения существенно влияют подстилающие и перекрывающие водоупоры, из которых возможно «отжатие» подземных вод. Подчеркнем, что самовосполнение подземных вод может происходить не только в течение длительных периодов времени (что характерно, например, для нефти и газа), но и за относительно короткие сроки. Способностью к самовосполнению могут обладать не только пресные, но и высокоминерализованные и термальные подземные воды.

Можно ли в условиях движения и самовосполнения говорить о месторождениях подземных вод? Вероятно, можно, поскольку, двигаясь и возобновляясь, подземные воды определенного качества оказываются приуроченными к конкретным гидрогеологическим структурам, т.е. занимают некоторые локальные, геологически обусловленные, зоны литосферы.

При рассмотрении понятия о месторождениях полезных ископаемых необходимо учитывать также и экономические факторы. Месторождение любого полезного ископаемого становится таковым только в том случае, если его добыча экономически необходима

3

(обусловлена) и целесообразна. В силу значительной важности вод для удовлетворения жизненных потребностей общества экономический фактор оказывается весьма существенным и для выделения месторождений подземных вод (МПВ).

Одним из первых и, пожалуй, наиболее правильно определил понятие месторождение подземных вод Г.Н. Каменский в 1947 г.: «…места, где концентрируются значительные ресурсы подземных вод, пригодных для водоснабжения крупных населенных пунктов и предприятий или могущих послужить гидроминеральной базой для строительства курортов и для соответствующих отраслей химической промышленности… можно было бы именовать водными месторождениями, вкладывая в это понятие особое содержание, отражающее не только форму залегания водоносных пород, но и динамику, и режим вод» [13, с.36].

Отметим, что термин месторождение подземных вод не сразу вошел в обиход гидрогеологической науки. Укажем, например, на высказывание Ф.М. Бочевера, который писал, что «…широко используемый на практике термин «месторождения подземных вод»…также является условным, поскольку водоносные горизонты, как известно, невозможно разделить на локальные, изолированные «скопления подземных вод», т.е. собственно месторождения» [7,

с.14].

Наиболее четко сформулировано понятие месторождение минеральных подземных вод (ММВ). В частности, Е.В. Посохов и Н.И. Толстихин писали: «Под ММВ следует понимать такие скопления минеральных вод на поверхности или в недрах Земли, которые не только в качественном, но и в количественном отношении удовлетворяют требованиям определенной отрасли народного хозяйст-

ва» [16, с.35].

Приведенное определение свидетельствует о неразрывности гидросферы, о необходимости совместного изучения как подземных, так и поверхностных вод.

С учетом имеющихся в настоящее время данных окончательно определим понятие о месторождении подземных вод следующим образом: месторождением подземных вод является скопление (естественное или искусственное) подземных вод, которое в ко-

4

личественном и качественном отношении может быть использовано в хозяйственной деятельности при данном состоянии техники и данных экономических условиях.

1.2. Классификации месторождений подземных вод

Одной из наиболее распространенных частных классификаций МПВ является классификация их по целевому назначению. Согласно этой классификации, различают следующие типы МПВ:

1)месторождения пресных подземных вод, пригодных для питьевого и хозяйственного водоснабжения;

2)месторождения подземных вод, пригодных для технического водоснабжения;

3)месторождения минеральных лечебных и бальнеологических подземных вод;

4)месторождения промышленных подземных вод;

5)месторожденияэнергетических (термальных)подземныхвод. Наиболее распространенной классификацией МПВ, при-

годных для питьевого и хозяйственного водоснабжения, является классификация, предложенная Н.И. Плотниковым [14], по которой МПВ разделяются на месторождения с безнапорным и напорным режимом.

Впервую группу МПВ входят месторождения грунтовых вод аллювиальных песчано-галечниковых отложений речных долин и флювиогляциальных отложений зандровых равнин и месторождения трещинно-карстовых вод карбонатных пород.

Ко второй группе месторождений относят месторождения, приуроченные к крупным артезианским бассейнам платформенного типа, месторождения, приуроченные к артезианским бассейнам геосинклинального типа, месторождения песчано-галечниковых отложений конусов выноса, месторождения трещинно-жильных вод зон тектонических нарушений и месторождения напорных вод флювиогляциальных, межморенных четвертичных отложений.

Вособую группу Н.И. Плотников выделил месторождения, приуроченные к многолетним мерзлым породам.

5

Применительно к месторождениям углекислых вод горноскладчатых регионов широкое распространение получила классификация, предложенная Г.С. Вартаняном [8]. В ней учитывается несколько геологических и гидрогеологических показателей: генезис трещиноватости, структурные особенности трещинных зон, характер разгрузки и перетока вод, гидродинамические закономерности движения и локализации подземных минеральных вод в трещинных зонах.

Среди месторождений углекислых вод горно-складчатых областей Г.С. Вартанян выделяет месторождения локального и площадного распространения. В первую группу месторождений входят следующие важнейшие типы: нормальных сбросов, малоамплитудных взбросов и надвигов, крупноамплитудных взбросов и надвигов, линейных даек, жил и силлов, кольцевых и конических даек, экзоконтактов интрузий, интрузивных диапиров, кольцевых сбросов.

Месторождения площадного распространения, как правило, связаны с сочленением зон трещинно-жильных и пластовых водонапорных систем.

Приведенные выше классификации МПВ являются частными. Наличие большого числа частных классификаций МПВ не исключает необходимости построения некоторой общей классификации. Трудности построения единой классификации связаны с многообразием геолого-гидрогеологических условий, в которых находятся конкретные МПВ. Можно утверждать, что любое МПВ в ка- ком-то смысле уникально, поэтому выделение общих, характерных черт некоторой группы МПВ, встречает значительные трудности. Ясно, однако, что общую классификацию МПВ необходимо строить на генетической основе с учетом приуроченности МПВ к основным гидрогеологическим структурам, литологии водовмещающих пород, особенностей динамики подземных вод (с учетом особенностей питания, транзита и разгрузки подземных вод) и состава (химического, газового и пр.) подземных вод. Отметим, что попытки построения генетической классификации МПВ предпринимались неоднократно, но пока они особого успеха не имели.

Наиболее распространенной классификацией месторождений пресных подземных вод, пригодных для питьевого водоснабжения,

6

является классификация, изложенная в инструкциях Государственной комиссии по запасам полезных ископаемых (ГКЗ). Согласно ГКЗ месторождения подземных вод по геолого-гидрогеологическим условиям, определяющим методику проведения поисково-раз- ведочных работ и подсчета эксплуатационных запасов, подразделяются на следующие типы:

месторождения в речных долинах;

месторождения артезианских бассейнов;

месторождения в конусах выноса предгорных и межгорных впадин;

месторождения в ограниченных по площади структурах и массивах трещинных и трещинно-карстовых пород;

месторождения в зонах тектонических нарушений;

месторождения в песчаных массивах пустынь и полупустынь;

месторождения в надморенных и межморенных водноледниковых отложениях;

месторожденияв области развитиямноголетнемерзлыхпород.

2. ЗАПАСЫ И РЕСУРСЫ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

2.1. Понятие о запасах и ресурсах подземных вод

Для отражения главных особенностей подземных вод (способность заполнять геологическое пространство, подвижность и возобновляемость), рассматриваемых как полезное ископаемое, вводятся понятия об их запасах и ресурсах.

Общие запасы подземных вод определяются количеством свободной воды, заключенной в горной породе, т.е. объемом пространства горных пород, способного быть заполненным жидкостью. Для рыхлых несвязных и мягких связных пород это свободное пространство определяется общей пористостью, в трещиноватых и закарстованных горных породах общие запасы зависят от степени трещиноватости и закарстованности.

Общие запасы подземных вод могут быть измерены в единицах массы или объема. Традиционно при оценке запасов подземных вод предпочтение отдается единицам объема.

7

Объем свободной воды, заключенной в горной породе, зависит от термодинамических условий (от температуры и давления), в которых подземные воды находятся в водоносном горизонте. Поскольку нас, как правило, интересуют лишь уже извлеченные водозаборными сооружениями объемы воды, то общие запасы подземных вод обычно рассматриваются при давлениях и температурах, отвечающих условиям дневной поверхности. Отметим, что в большинстве случаев общие запасы подземных вод, измеренные в единицах объема, оказываются практически равными (по абсолютной величине) величинам, измеренным в единицах массы. Исключение составляют лишь сильноминерализованные подземные воды.

В водоносных горных породах общие запасы подземных вод

Vоб = nV,

(1)

где – степень водонасыщения; – коэффициент приведения термодинамических условий к нормальным; n – общая пористость (трещиноватость, закарстованность) горных пород; V – объем водонасыщенных горных пород.

Подземные воды не могут быть извлечены из водонасыщенных горных пород полностью. Обычными водозаборными сооружениями, например, не может быть извлечена иммобилизованная и капиллярная вода, из слабопроницаемых пород (типа суглинков и глин) часто нельзя извлечь даже гравитационные воды. Однако некоторая часть подземных вод может быть извлечена (в данном случае речь идет о потенциальной возможности извлечения) за счет осушения или проявления упругих свойств горных пород и насыщающей их жидкости. Извлекаемую часть общих запасов подземных вод целесообразно подразделить на упругие и гравитационные запасы.

Гравитационные запасы представляют собой объем подземных вод, который может быть извлечен из водонасыщенной горной породы при ее осушении. Количественно гравитационные запасы определяются величиной водоотдачи горных пород:

Vгр = V,

(2)

где – гравитационная водоотдача горных пород.

8

Упругие запасы есть тот объем подземных вод, который может быть извлечен из водонасыщенной горной породы при снижении напоров за счет проявления упругих свойств как самой воды, так и горной породы. Количественно упругие запасы зависят от упругоемкости горных пород:

Vупр = * HV или Vупр = * HF,

(3)

где * – коэффициент упругоемкости горных пород; H – величина снижения напоров; * – коэффициент упругой водоотдачи; F – площадь развития напорных подземных вод.

Если принципиально безразлично, какие конкретно запасы подземных вод имеются в виду (общие, гравитационные или упругие), то целесообразно использовать термин запасы подземных вод как термин свободного пользования.

По происхождению различают естественные и искусственные запасы подземных вод.

В зависимости от рассматриваемого объема пород можно говорить о запасах подземных вод всего месторождения, отдельного участка (блока) месторождения, конкретного водоносного горизонта, области воздействия водозабора подземных вод и т.д.

Для учета запасов подземных вод, пригодных для конкретного назначения, могут быть выделены запасы определенного качества, например, запасы питьевых, промышленных, энергетических и других подземных вод.

Для изучения проблем формирования (генезиса) запасов подземных вод важное значение имеет характер заполняемого подземными водами пространства. С этих позиций целесообразно выделять запасы поровых, трещинных или карстовых подземных вод.

Запасы подземных вод во времени могут весьма существенно изменяться, поэтому при оценке запасов необходимо указывать момент времени, на который данная оценка произведена. По отношению ко времени оценки запасов подземных вод могут быть подразделены на точечные (подсчитанные на конкретную дату) и средние (осредненные за некоторый период наблюдения).

Отметим, что в общем случае запасы подземных вод определяются способностью горных пород вмещать, удерживать и, со-

9

ответственно, отдавать подземные воды, т.е. водообильностью горных пород.

Способность подземных вод к возобновлению, которая является следствием подвижности подземных вод и их тесной связи с поверхностными водами, позволяет говорить о ресурсах подземных вод.

Общие ресурсы подземных вод слагаются из объема подземных вод, поступающего в горные породы за единицу времени. Общие ресурсы равны сумме всех положительных элементов баланса рассматриваемого объема горных пород. Они могут формироваться за счет инфильтрации атмосферных осадков, перетекания воды из соседних горизонтов, отжатия подземных вод из подстилающих и перетекающих относительных водоупоров, поступления воды со стороны открытых границ (фильтрация из рек и водоемов), поступления вод при работе объектов искусственного восполнения и т.д.

Единицей общих ресурсов может служить суточный расход, измеренный в единицах массы или объема.

Аналогично запасам подземных вод общие ресурсы также делят на извлекаемые и неизвлекаемые. В качестве основной составляющей неизвлекаемых ресурсов можно назвать их долю, идущую на пополнение запасов подземных вод , т.е. остающуюся в дальнейшем в порах и трещинах горных пород. Извлекаемые ресурсы (в данном случае речь идет лишь о потенциальных возможностях извлечения) представляют собой подвижную часть подземных вод. При этом извлечь общие ресурсы можно непосредственно из внутренней зоны водоносного горизонта (при наличии в нем подземного потока) или перехватив подземные воды в пределах зон питания или разгрузки.

Термин ресурсы подземных вод будем использовать как термин свободного использования, когда не требуется более конкретного указания, о каких именно ресурсах идет речь.

Ресурсы подземных вод могут быть подразделены на естественные и искусственные. Ресурсы могут характеризовать все место-

В свою очередь ресурсы, пополнившие запасы подземных вод, могут перейти в разряд извлекаемых или неизвлекаемых.

10