Билет22.

Гидрогеохимические предвестники землетрясений

И прежде всего это касается геохимии подземных вод, так как при землетря­сениях изменяется их химический и газовый состав.

К гидрогеохимическим эффектам землетрясений относится также изменение изотопного состава подземных вод и раство­ренных газов — С, Не, U, Ar и др эле­ментов

Это объясняется действием упругих колебаний, вызыва­ющих дополнительное выделение из горных пород химических элементов. Те химические элементы и их изотопы, которые наи­более слабо связаны с горной пор. и крист. ре­шеткой минералов, переходят в водную фазу в относительно больших кол-ах. Упр. колебания могут вызвать и искусственное разделение изотопов, причем рода обогащается тем изотопом, который слабее других связан с кристалличе­ской решеткой минерала.

Изменение сост. пв может быть связано с подтоком вод по активизированным водопроводящим трещинным системам из других, часто более глубоких водоносных горизонтов, содержащих более минерализованные воды.

В результате землетрясений изменяется содержание в подземных водах Ra, He, углекислоты, Cl, гидрокарбонат-иона, F, величин отношения ра­дона к радию, изотопных отношений в парах элементов (ЗНё/*Не, *Ar/«Ar, »"U/»U, »*С/»С н др.), что связано с изме­нениями напряженного состояния среды и разрядкой напря­жений в виде сейсмического толчка.

Среди отмеченных изменений состава подземных вод при землетрясениях важно выделить (количественно и качествен­но) те из них, которые можно использовать в качестве пред­вестников землетрясений. Гг предвестники подразделяются на гидрогеодинамические и ггх, которые могут, быть как краткосрочными (часы, дни), так и долгосрочными (годы) предвестниками. Гидрогеологические эффекты заключаются в изменении уровней и напоров подземных вод непосредственно перед землетрясением.

Среди гидрогеохимических предвестников землетрясений, прежде всего следует назвать изменение содержания в воде радона, гелия, углекислоты, хлоридов, фтора, изотопных отно­шений.

Билет23. Особенности формирования химического и газового состава термальных вод вулканических областей

Обычно под термальными водами понимают воды с температу­рой более 20 "С. Существует несколько классификаций подзем­ных вод по температуре.

Химический и газовый состав термальных вод очень сложен, что обусловлено взаимодействием в системе «вода — порода — газ (пар)» при повышенных температурах.

В вулканических районах выделение паров й газов достигает иногда грандиозных размеров.

Существует несколько классификаций термальных вод по их газовому и химическому составу.

Ниже приводится характеристика геохимических типов термальных вод по данным В. И. Кононова

сероводорогно-углекислые гидротермы (паро-гидротермы) помимо H₂S и С0₂, также НС1, HF, S0₂ и другие газы. T до 700º, М— 35 г/кг, состав S0₄, Cl-SO*, реже CI; рН низкий. Катионный состав сложен — преобладают Fe, Al, Н, NH. В этом типе гидротерм отмечаются и уникальные воды с рН 0,2—0,5 и М>500 г/кг, Cl-Na состава (Данакильская впадина, выполненная толщей эвапоритов).

Углекисло-водородные парогидротермы встре­чены в океанических рифтах и в зонах их примыкания к кон­тинентальным структурам. Помимо Н₂, присутствуют С0₂, HaS, N₂ и другие С0₂-Н₂ термы, заклю­ченные в базальтах океанической коры. На континен­те— это маломинерализованные (<1 г/л), слабощелочные во­ды с повышенным содержанием Si0₂ и преобладанием S0₄, HCOs и Na.

Углекислые парогидротермы. t от 180 до 350 °С и М ниже 1 г/л; НСОз или SO4-НСОз состав. Там, где развиты эвапоритовые толщи (Солтон-Си в Калифорнии) минерализация высокотермальных углекис­лых вод достигает 305 г/кг.

Азотно-углекислые парогидротермы и гидротермы. Это щелочные воды с Eh от 0 до 250 мЕ. Парогидротермы с t=180—200ºформируются в зо­нах глубоких тектонических нарушений, имеют HCOs-Na или S0₄-Na состав с М до 1,5 г/л и рН=9. В районах совр.вулканизма Cl-Na состав с М 1—6 г/л (Долина Гейзеров и Паужетка на Камчат­ке). Азотно-углекислые гидротермы с температурой на выходе от 30 до 100 º имеют небольшую (менее 3 г/л) минерализацию и пестрый анионный состав, а среди катионов преобладает Na.

Азотные термы, в основном щелочные (рН 8— 10), на глубине ~2 км имеют температуру до 150º. По хим. составу,— пестрые (HCOa, S0₄ или О). Типичным представителем азот­ных НСОз-Na вод являются маломинерализованные (<1 г/л) щелочные (рН л*8) гидротермы. На Камчатке при­мерами азотных терм служат Паратунские,. Начикинские и дру­гие источники. Азотные Cl-Na термы по сравнению с SO* и НСОз водами распространены менее широко. Их минерализа­ция может достигать 35 г/кг.

Метановые и азотно-метановые терм. воды. развиты в молодых краевых и внутренних про­гибах. Их распространение подчиняется общей гидрогеохимиче­ской и газовой зональности: в периферических и верхних частях артезианских бассейнов термальные воды, как правило, пресные или солоноватые (до 10 г/л), азотные (иногда с примесью С0₂ и H2S), S04-HCOrNa и НСОз-Na состава. В глубоких частях артезианских бассейнов встречаются N2-CH4 и СН* воды Cl-Na и Cl-Na-Ca типа с повышенным содержанием Т, Вг и других ценных микрокомпокентов. Температура этих вод на глубине их залегания изменяется от менее 50 до более 200 *С, рН=*5—9, Eh = от —250 до 0 мВ.

Процессы формирования состава термальных вод имеют не­которые особенности, связанные с температурным фактором. Одна из них заключается в фазовых переходах подземных вод, происходящих обычно в приповерхностных зонах разгрузки гид­ротерм.Вторая особенность заключается в активном тепловом воздействии на вмещающие породы (термометаморфизм), при котором происходит глубокая переработка пород и переход в раствор газов, макро- и микро­компонентов. Вскипание высоко­температурных вод, сопровождающееся парообразованием и дегазацией, происходит лишь в приповерхностных условиях при снижении давления и сохранении высокой температуры.При этом компоненты вещественного состава гидротерм пе­рераспределяются между паровой и жидкой фазами; в послед­ней возрастает концентрация солей. Конденсат пара имеет низ­кую минерализацию и HCOa-Na или SO^-Na состав.

Понятие о гидрогеохимическом моделировании и прогнозированииГидрогеохимический прогноз в гидрогеологии—это вероятно­стное предсказание изменений химического состава подземных вод, происходящих во времени и пространстве под влиянием естественных и искусственных факторов. Особое значение гид­рогеохимические прогнозы приобретают в настоящее время, когда качество подземных вод хозяйственно-питьевого назна­чения может быстро изменяться под влиянием различных за­грязняющих веществ и нерационального эксплуатационного водоотбора.

Прогнозы имеют исключительно важное значение для своевременной разработки и проектирова­ния водоохранных мероприятий, сохранения и улучшения каче­ства воды, управления этим качеством; они необходимы для обеспечения оптимального функционирования эксплуатацион­ных водозаборов.

К формализованным методам относят: а) методы экстраполяции и интерполяции, основанные на статистическом изучении гидрогеохимических явлений и б) методы моделиро­вания, основанные на построении и изучении вспомогательных созданных нами искусственных систем, называемых моделями.

Все методы прогнозирования делятся на два основных ти­па: интуитивные и формализованные. К числу интуитивных методов относят широко распространенный метод экспертных оценок, который представляет собой индивидуальные или кол­лективные суждения специалистов о дальнейшем развитии обът екта. Такие суждения выполняются на основе мобилизации профессионального опыта. Методы экспертных оценок использу­ются при анализе объектов, развитие которых не поддается формализации на основе методов точных наук

Пути и методы гидрогеохимического про­гнозирования зависят от конкретных задач прогноза, стадии гидрогеологических забот, гидрогеологических и гидрогеохими­ческнх ситуаций, возможностей приложения к ним существую­щих расчетных средств, степени обеспеченности таких расчет­ных средств необходимой информацией о происходящих про­цессах и т. д.

Моделирование—это метод изучения объекта или процесса, в ходе которого исследуется не сам объект, а некоторая вспо­могательная, созданная нами система, называемая моделью. В ггх существуют различные виды моделей. К первым из них относятся так называемые портретные—или фотографические модели, фиксирующие какие-то определенные гидрогеохимические качества гидрогеологической структуры. К таким моделям относятся гндрогеохимические карты, гидро­геохимические разрезы н т. д. Эти модели могут быть исполь­зованы только для качественного прогноза гидрогеохимических явлений.

Второй тип моделей — генетические, которые дают возмож­ность рассчитывать гидрогеохимические явления и прогнозиро­вать их. Такие модели выражаются различными количествен­ными зависимостями н формулами. В основе этих моделей ле­жат принципы точных фундаментальных наук

Примерами являются модель комплексообразо­вания элементов в подземных водах, основанная на принципах химической термодинамики;

Используя такие модели, н, варьируя граничными условиями, можно определять и вычислять резуль­тат различных процессов, происходящих в гидрогеологических структурах. Именно в этом заключается прогностическая сила и смысл генетических моделей.

Исходя из общей теории моделирования и управления, сформулируем общие требования к прогностическим моделям:

• модель должна соответствовать современному научному уровню знаний о процессах, происходящих в гидрогеохимиче­ских системах;

• модель должна находиться в определенном соответствии с самим познаваемым объектом в отношении некоторых задан­ных критериев, т. е. должна обладать свойством адекватности;

• в ходе познания и прогнозирования модель должна быть способной замещать по определенным критериям сам объект и реакции модели на внешние возмущения должны быть по­добны реальным природным реакциям, т. е. модель должна обладать свойством адаптивности.

Важнейшим вопросом является оптимальный предел фак­торов, учитываемых в модели, обеспечивающий ее максималь­ную адекватность реальности.

Это воздействие выходных величин какой-то определенной системы на входные величины этой системы. На основе обратной связи и решают эти обратные задачи. Типичный пример решения обратной за­дачи в гидрогеохимии—это установление условий и парамет­ров формирования химического состава подземных вод по его конечному естественному или заданному состоянию.

это возможность вычисли­тельного эксперимента.

Компьютерный вычислительный эксперимент при правиль­ном выборе модели и определении граничных условий часто оказывается более эффективным, чем прямой эксперимент, по­скольку существует возможность вычислительного определения геохимических эффектов любых процессов при любых гранич­ных условиях и параметрах их протекания.

Другие важные возможности ЭВМ связаны с решениями так называемых обратных задач.

При моделировании гидрогеохимических явлений и процес­сов важно знать, что ЭВМ