Этюды о воде. Памяти отца

                Предисловие
      Пять лет назад в этот день мой папа покинул этот мир. Так что сегодня круглая, но печальная дата. Публикую отрывок из единственной научно-популярной книги моего отца "Этюды о воде". Выбор именно этого этюда продиктован папиной профессией. он - морской гидрогеолог. доктор наук, профессор, академик. Все его заслуги перечислены в некрологе, опубликованном на его авторской странице. Их очень много, но для меня он просто любимый папа, без которого я так и не научилась жить.
                Алиса Юровская - дочь автора



                Этюд 5.


                ВОДА В НЕДРАХ ЗЕМЛИ

               
             « Вода! У тебя нет ни вкуса, ни цвета, ни запаха. Тебя невозможно
описать, тобой наслаждаются, не ведая, что ты такое! Нельзя сказать,
что ты необходима для жизни: ты - сама жизнь. Ты наполняешь нас
радостью, которую не объяснишь нашими чувствами… Ты самое большое
богатство на свете…»
                Антуан де Сент-Экзюпери


  Изучением подземных вод занимается отдельная научная дисциплина - гидрогеология. В геологическом словаре
гидрогеология - учение о подземных водах, их происхождении, условиях залегания, законах движения, физических и
химических свойствах, взаимной связи с поверхностными и
атмосферными водами.
Однако, еще задолго до того как эта область знания
оформилась в настоящую науку, человек научился использовать подземные воды. Доподлинно неизвестно, кто первый
обустроил родничок, обложив его камнями, кто вырыл первый колодец, кто пробурил первую скважину. Как говорится,
история об этом умалчивает. Ясно одно, люди начали пользоваться такими источниками питьевых вод на самой ранней
стадии своего существования. В настоящее время, все виды
устройств для водопользования специалисты называют каптажем (от французского слова captage - захватывать). Еще в
средние века у многих народов (арабы, греки, армяне, крымские татары и другие) появился обычай обустраивать выходы
подземных вод на поверхность, сопровождая необходимую
работу красивым оформлением. Так, чтобы путнику было
удобно напиться из каменной чаши или керамического желоба, напоить коня. Работа выполнялась, как правило, на оживленных караванных путях, на горных тропах ведущих к перевалу. Действовали ли они по религиозному обету или повелению души, но всегда бескорыстно.
46
Приведем один пример. В Симферополе до сих пор сохранился один такой источник - по традиции называемый
фонтан. История его такова. По преданию, в Симферополе
жил слепой грек Апостол Савопуло, который однажды, 1 мая
1857 г., получил исцеление от своей болезни благодаря промыванию глаз водой из этого родника. В тот же год, в честь
своего чудесного выздоровления, Савопуло соорудил на месте родника красивый фонтан, в виде фигурной известняковой плиты, венчающейся резным карнизом. Выход источника
он оформил как человеческое лицо, изо рта которого вытекала вода, собиравшаяся в небольшую чашу. А посредине плиты, в неглубокой полусферической нише, высек надпись:
«Сей фонтан был сооружен греком Апостолом Савопуло в
1857г.». Обустроенные подобным образом источники, встречаются и в горной части Крымского полуострова.
В засушливых и полупустынных областях люди научились рыть колодцы, глубина которых редко превышала
50 метров. Очень давно человек научился бурить скважины.
Приблизительно 3000 лет до н.э. египтяне применяли колонковое бурение в каменоломнях. Однако для добычи воды оно
не использовалось.
Вероятно, так же давно в Китае был изобретен способ и
создан станок ударно-канатного бурения. В принципе, он не
отличается от некоторых современных станков, только деревянные детали заменили металлическими. Медленно и упорно (порой десятилетиями) китайцы углубляли эти скважины,
достигая глубин 1200 и 1500 метров. В Европе такие глубины
были достигнуты только в XIX веке после изобретения машинного бурения.
Эффективный способ добычи воды для полива придумали
в Иране (тогда еще Персии). Способ заключался в постройке
подземных водосборных галерей (кяризов), длиной в несколько километров. Первые галереи были сооружены еще
две с половиной тысячи лет назад. Затем их стали строить в
Египте и Афганистане. Подобные сооружения успешно действуют в Иране и Афганистане до сих пор. Афганцы даже используют их при военных действиях (в том числе против Со-
47
ветских войск и до настоящего времени) для скрытого передвижения, поскольку ни на одной карте они не обозначены.
В западной Европе ударно-канатное бурение было изобретено самостоятельно. Толчком к развитию массового бурения на воду послужило открытие самоизлива поземных вод
во Фландрии около 1100 года. В 1126 году монахами картезианцами из монастыря, расположенного в северной французской провинции Артуа, скважинами были вскрыты самоизливающиеся воды очень хорошего качества. Слава об этом
«божьем даре» быстро распространилась повсюду. А затем,
все самоизливающиеся скважины стали называть артезианскими (от латинского названия провинции Artesium).
Удивительным можно считать тот факт, что широко используя подземные воды, ни в Китае, ни на Востоке, ни в Европе ученые не могли грамотно объяснить их происхождение. Европейцам в этом сильно мешали заблуждения античных греков. И в средние века и в эпоху Ренессанса трудно
было поверить, что эллины, подарившие миру великолепных
философов и математиков, не смогли найти теоретически
правильное решение этой задачи. Происхождение рек они
наивно объясняли тем, что их образуют большие источники.
Источники, в свою очередь, пополняются подземными реками, вытекающими из моря. Вопрос о том, каким образом,
морские воды превращаются в пресные и как они поднимаются к родникам, расположенным высоко в горах, оставался
без ответа. В трудах Платона и его ученика Аристотеля подземные воды образуются в огромной подземной пещере. Как
это происходит, Платон не объяснял вообще, а Аристотель
считал, что вода образуется из водяного пара. О спорах греческих и римских ученых по поводу происхождения подземных вод написаны целые тома. Сейчас это увлекательная область исследований для историков науки. На беду европейцев, католическая церковь объявила правильными только
взгляды Аристотеля. Все его заблуждения стойко держались
в науке вплоть до середины XVII века. Даже такие выдающиеся ученые своего времени как астроном, математик, оптик
Иоганн Кеплер (1571 - 1630) и естествоиспытатель, матема-
48
тик Анастасиус Кирхер (1601 - 1680), придерживались идей
Сенеки и Аристотеля. Например, Кеплер, первооткрыватель
законов движения планет Солнечной системы, утверждал, что
Земля подобна большому животному, переваривающему
морскую воду, а пресная вода родников - продукт обмена веществ, происходящего в недрах земли.
Поиски месторождений подземных вод в средние века
чаще всего проводили при помощи свежесрезанной раздвоенной в виде рогатки древесной ветки. На Руси таких умельцев называли лозоходцами. В западноевропейских странах -
даусерами. В настоящее время используются проволочные
рамки или просто куски изогнутой проволоки. У некоторых
людей эти предметы при прохождении места пригодного для
рытья колодца или бурения скважины начинают самопроизвольно поворачиваться. Почему это происходит – неизвестно.
Полагают, что «медиумами» могут быть не более 3% людей.
Наука до сих пор не может подтвердить или опровергнуть
эффект лозоходства. Дело в том, что ни на одном полигоне,
где лозоходцами были указаны или не указаны места скопления воды, проверки бурением не проводилось, а отрицательный результат лозоходства объяснялся отсутствием ее вообще. Но есть и более объективный природный метод поиска:
по наиболее пышной растительности, которая корнями указывает на наличие воды на глубине.
У истоков научной гидрогеологии стоят французские
ученые Пьер Перро (1608 - 1680) и Эдм Мариотт (1620 -
1684). Они первыми установили, что атмосферные осадки -
источник речной воды. Определили, что часть осадков просачивается в грунт, и измерили высоту капиллярного поднятия.
Опытные работы проводились Мариоттом в бассейне реки
Сены с измерением количества годовых осадков и стока реки.
Труд Мариотта «Трактат о движении вод» был опубликован в
1687 году, уже после его смерти.
Следующее открытие сделал инженер Анри Дарси (1803 -
1858). Его пригласили организовать водоснабжение города
Дижона. В 1856 году помимо официального отчета о коммунальном водоснабжении города, Дарси представил приложе-
49
ние, в котором впервые сформулировал закон фильтрации подземных вод и привел математическую формулу. Собственно
это был не столько отчет о проделанной работе, сколько полноценная монография. Этот труд - яркое подтверждение добросовестности инженера и ученого.
Стоит пожелать: все бы инженеры и ученые писали подобные отчеты. Математически закон Дарси можно выразить простой формулой:
V = KфI, где V - скорость фильтрационного потока через
сечение F, I - уклон подземного грунтового потока, или градиент напора, Кф - коэффициент фильтрации, зависящий как от
свойств породы, так и от свойств фильтрующейся жидкости.
При уклоне равном единице, скорость фильтрационного
потока численно равна коэффициенту фильтрации с размерностью м/сут. Но это скорость условная. Вводя понятие коэффициента фильтрации, месье Дарси отнес его ко всей площади
поперечного сечения потока F. Но ведь в этом сечении часть
пространства занимают минеральные зерна. Поэтому, для получения величины действительной скорости движения подземных вод, коэффициент фильтрации надо разделить на площадь
пор, или умножить на коэффициент пористости (измеряемый в
долях единицы). По сравнению со скоростью фильтрации по
Дарси, действительная скорость всегда в 3 - 4 раза выше.
Линейный закон Дарси справедлив для всех фильтрационных потоков с ламинарным (однородным, без завихрений) движением жидкости. Позже, при рассмотрении процессов фильтрации жидкостей с разными свойствами (разной вязкостью),
гидрогеологи ввели понятие коэффициента проницаемости. За
единицу проницаемости приняли понятие одного Дарси (1Д) в
честь Анри Дарси. Еще позже появилась целая научная дисциплина, названная «Динамика подземных вод». Ознакомить с
ней можно лишь читателя, хорошо знающего высшею математику (дифференциальное и интегральное исчисление).
Так каково же происхождение подземных вод? В настоящее время установлено, что в формировании подземной части
гидросферы принимают участие:
50
1. Инфильтрационные воды, то есть воды, просачивающиеся с поверхности земли вниз. (От английского in - в) - главным
образом атмосферные осадки.
2. Инфлюационные (втекающие) в карстовые воронки,
трещины горных пород, каверны.
3. Конденсационные, образующиеся за счет конденсации
водяного пара на минеральных частицах и в подземных полостях.
4. Седиментационные - воды древних бассейнов, захороненные в осадочных породах.
5. Ювенильные (первичные), образующиеся из расплавленной магмы. (Термин ввел известный австрийский геолог
Эдуард Зюсс).
6. Возрожденные, образовавшиеся за счет дегидратации
минералов, содержащих в своей химической формуле молекулы воды.
В горных породах вода содержится в следующем виде.
1. Физически связанная. Вода, адсорбированная на поверхности минеральных зерен слоем, толщиной в доли микрона.
2. Рыхлосвязанная (другое название - пленочная вода) в виде тонких пленок, способных перемещаться от более влажных
участков к менее влажным.
3. Свободные воды. В том числе:
- вода вакуолей, заключенная в пузырьки в некоторых минералах;
- капиллярная, заключенная в капилляры;
- гравитационная, подчиняющаяся в движении силе тяжести.
4. Твердого тела - льда.
5. Химически связанная, в том числе кристаллизационная и
цеолитовая, содержащаяся в составе минералов в виде молекул. И конституционная, участвующая в молекулярном строении некоторых минералов в виде гидроксильной группы ОН-
.
6. Надкритического состояния при температурах 374-450оС
и давлении более 21,8 мегапаскалей. В этих физических условиях различия между жидкостью и газом отсутствуют, и моле-
51
кулы вода распадаются на Н и ОН. Обычно такие условия образуются в земной коре на глубинах свыше 10 км и вблизи очагов магматических расплавов.
По отношению к воде все горные породы условно делятся
на две группы: водонепроницаемые (водоупоры) и водопроницаемые (коллекторы). О том, как залегают подземные воды
написано даже в прекрасном школьном учебнике для учеников
6-го класса «География. Природа и люди» - издание Москва
«Просвещение», 2010 г.
По условиям залегания гравитационные воды делятся на:
1. Верховодку (небольшие линзы ограниченной площади),
2. Грунтовые воды (первый от поверхности земли водоносный горизонт, имеющий свободную поверхность). В русскоязычной литературе, свободную поверхность называют зеркалом грунтовых вод. В англоязычной - water table.
3. Межпластовые воды (напорные и безнапорные).
Все остальные сведения из области гидрогеологии носят
специальный характер. Ведь гидрогеология, как многие другие
науки, теперь включает в себя много самостоятельных дисциплин: общую гидрогеологию, региональную гидрогеологию,
гидрохимию, гидрогеотермию, палеогидрогеологию, динамику
подземных вод и другие.
В последнее время стали уделять больше внимания вопросам защиты и охраны поземных вод от загрязнения и истощения. Серьезно рассматриваются экологические проблемы.
Многие ученые и даже международные организации, такие как
МАГАТЭ и ЮНЕСКО стали проявлять интерес к морской гидрогеологии. То есть, человечество стремится узнать, какие воды залегают под дном морей и океанов? Как их можно использовать? Как происходит водообмен между подземной гидросферой и океаном? Многие вопросы так пока и остаются без
ответа. А ведь морская гидрогеология только формируется как
самостоятельная дисциплина.