Круговорот воды в природе. 10
ФГОУ «Сибирский федеральный университет»
Институт нефти и газа
Реферат
Гидрогеология как наука. Круговорот воды.
Выполнила: Карпова Е.А.
Группа: ГГ 10-18
Проверил: Кропоткин Б.И.
Красноярск
Содержание:
Предмет и содержание гидрогеологии………………………………………..
Разделы гидрогеологии и методы исследований…………………………….4
История и этапы развития гидрогеологии……………………………………6
Распределение воды на Земле и её круговорот……………………..9
Вода в атмосфере……………………………………
Атмосферные осадки……………………………….………………...10
Испарение с водной поверхности и суши……………………….….10
Понятие о поверхностном и подземном стоках………………….…11
..
Водный баланс территории……………………………….…..….….
Современные представления о круговороте воды…………………13
Климатический (гидрологический) круговорот воды………...…...13
Предмет и содержание гидрогеологии.
Гидрогеология - наука о происхождении, условиях залегания, закономерностях распространения и движения подземных вод в земной коре, их физических свойствах, химическом, бактериальном и газовом составе, а также об их режиме и процессах взаимодействия с атмосферой, наземной гидросферой, биосферой, горными породами и веществом мантии Земли.
Гидрогеология является частью геологии и изучает подземные воды на основе анализа истории развития земной коры.
Значение подземных вод, как одного из наиболее подвижных тел земной коры, исключительно велико во всех геологических процессах.
Очень важна роль подземных вод в практической деятельности человека. Издавна подземные воды используются для питья и хозяйственных целей.
Подземные воды широко используются для лечебных целей (различные минеральные воды).
Исключительная роль принадлежит подземным водам как источнику химического сырья. Из них во многих странах добывается бор, натрий, литий, магний, хлор, бром, йод, в меньших объёмах германий, рубидий, стронций, кальций, цезий, а также медь, цинк, уран, радий, вольфрам, мышьяк, сера и др.
В некоторых случаях подземные воды являются вредным фактором и играют отрицательную роль. При строительстве гидротехнических сооружений, тоннелей, метрополитенов, при разработке месторождений полезных ископаемых подземные воды часто осложняют ведение работ и требуют значительных капиталовложений для борьбы с ними.
Земная кора на 2/3 закрыта океанами, но оставшаяся 1/3 суши пропитана водой. По мнению ряда авторов количество подземных вод в земной коре соизмеримо с количеством поверхностных.
Сложность и многообразие вод на Земле привели к тому, что это единственное природное тело изучается целым рядом наук. Кроме гидрогеологии, природные воды изучаются океанологией, гидрологией, метеорологией, гляциологией, гидравликой в меньшей степени минералогией, вулканологией, почвоведением, петрографией и геохимией, с которыми гидрогеология имеет генетическую связь. Кроме того, являясь наукой геологической, она тесно связана с общей геологией, геоморфологией, динамической геологией, тектоникой, структурной геологией и учением о месторождениях полезных ископаемых методиками исследований.
Разделы гидрогеологии и методы исследований.
Внутри гидрогеологии
К первой группе относятся общая гидрогеология, гидрогеодинамика, гидрогеохимия, палеогидрогеология, региональная гидрогеология и экологическая гидрогеология.
Общая гидрогеология рассматривает вопросы происхождения, формирования, геологической роли подземных вод, их физические и химические свойства, изучает структуру, состав и строение подземной гидросферы.
Гидрогеодинамика исследует закономерности движения подземных вод под влиянием искусственных и естественных факторов: фильтрацию, конвекцию, диффузию, осмос, капиллярный перенос с учётом конкретной структуры подземного потока, определяемого геологическими особенностями территории.
Гидрогеохимия изучает особенности миграции атомов химических элементов в подземной гидросфере, процессы изменения состава подземных вод и их обогащение разнообразными элементами при взаимодействии с горными породами в течение длительной истории геологического развития водонапорных систем. Важнейшим вопросом гидрогеохимии является выявление путей формирования разнообразных геохимических типов подземных вод, а также прогноз изменения их качества. Региональная гидрогеология - наука о связи пространственно-временного распределения подземных вод в земной коре с характером и историей развития геологических структур. Она занимается изучением закономерностей условий залегания, распространения и формирования подземных вод в конкретных регионах. Проблемный вопрос - роль геологической структуры в формировании ресурсов и состава подземных вод в конкретном регионе.
Палеогидрогеология изучает былые подземные гидросферы в тесной связи со становлением и развитием литосферы. Она же восстанавливает палеогидрогеологические условия конкретной территории, включая геологическую роль воды в формировании месторождений полезных ископаемых.
Экологическая гидрогеология делает первые шаги. Строительство водохранилищ, вырубка лесов, распашка земель, разработка месторождений полезных ископаемых и другие виды деятельности человека во многом изменили режим и состав подземной гидросферы, масштабы которого не всегда поддаются простому учёту. Возникла проблема глобального управления подземной гидросферой с целью оценки масштабов возможных изменений геологической и окружающей среды.
Ко второй группе направлений гидрогеологии относятся прикладные дисциплины, определяемые запросами производства.
Сюда относятся:
поиски и разведка подземных вод,
разведочная гидрогеология,
гидрогеология месторождений полезных ископаемых (рудных и нефтяных),
мелиоративная гидрогеология,
гидрогеохимические поиски месторождений полезных ископаемых,
гидрогеология городов и охрана подземных вод.
Все эти направления тесно связаны и базируются на методах, применяемых в других науках о Земле.
Картирование территории - один из основных методологических приёмов, применяемых прежде всего для изучения региональных закономерностей.
Изучение гидросферы, как продукта длительного геологического развития, невозможно без генетического (исторического) подхода.
Вода отличается от других геологических
объектов постоянным движением, участием
в круговоротах. Формы её движения
различны (гравитация, диффузия, фильтрация,
конвекция, осмос, капиллярный перенос)
в общем виде являются частью геологического
движения. Познать его невозможно
без математического, термодинамического,
физико-химического и
Подводя итог, можно сказать следующее: «Гидрогеология - это наука о подземной гидросфере, её генезисе, истории развития, составе, о закономерностях пространственного распределения и формирования, взаимодействия с другими оболочками земной коры, охраны, управления и использования».
История и этапы развития гидрогеологии
Гидрогеология, подобно другим областям знаний, возникла в глубокой древности из практических потребностей человека, но оформилась как наука только в конце XIX в., хотя отрывочные сведения о подземных водах можно найти еще в документах, относящихся к весьма отдаленным периодам истории развития человеческого общества.
Так, на Ближнем Востоке строили колодцы большого диаметра и глубиной до 50 м уже в V-III вв. до н.э. Эти колодцы располагались вдоль караванных путей и обеспечивали водой всех путешественников.
Первые каменные водопроводы в Древней Греции и Риме известны уже в VII- VI в. до н. э. На острове Самос (Греция) был сооружен подземный тоннель длиной 1200 м для водоснабжения города Мегора.
В 312 г. до н. э. был построен подземный самотечный тоннель в г. Аффлиано длиной около 5 км для перехвата воды в известняках.
Близкие взгляды позже развивал древнегреческий философ Платон (427-347 гг. до н.э.), который источником всей речной воды считал огромную подземную пещеру, куда по каналам поступает морская вода. Правда, некоторые историки науки утверждают, что в свое время труды Платона прочитали не совсем верно, и его идеи, оказавшие большое влияние вплоть до средних веков, восприняты неправильно. В своем труде, по их мнению, Платон якобы довольно точно описывает круговорот воды в природе.
Не так к проблемам подземных
вод подходили мыслители
Другим примером является труд персидского исследователя Каради "Поиски скрытых подземных вод", в котором по сути правильно, хотя и формально, дано представление о круговороте воды, ее напоре и качестве, описаны методы поисков, включая бурение.
В середине XIX в. в гидрогеологии разрабатываются законы движения подземных вод. Так, в 1856 г. французский инженер Анри Дарси (1803-1858 гг.), занимаясь проблемами водоснабжения города Дижона, установил основной закон фильтрации в пористом грунте, известном сейчас как линейный закон фильтрации, или закон Дарси, являющийся базовым в подземной гидродинамике.
Наряду с гидродинамикой ведется глубокое изучение и химии воды. В этом плане нельзя не назвать величайшее открытие XIX в., посвященное закону периодической системы элементов великого русского химика Д.И. Менделеева. Этот закон является одним из фундаментальных в области естествознания и является основополагающим для правильного понимания химии всех водных растворов земли и базовым для геохимии в целом и гидрогеохимии в частности.
В дальнейшем гидрогеология развивалась по нескольким направлениям:
- региональному — исследовались все новые и новые бассейны подземных вод в разных странах мира и геологических структурах;
- генетическому — в научный анализ включались воды все более и более глубоких горизонтов: соленые, рассолы, термальные;
- гидродинамическому — вывод новых формул и выявление закономерностей движения воды разных видов в различных геологических структурах, математическое моделирование;
- гидрогеохимическому — исследование состава и условий формирования разнообразных типов воды, использование полученных данных в решении различных задач, включая поиски полезных ископаемых;
- палеогидрогеологическому — история воды и ее геологическая роль;
- экологическому — охрана, рациональное использование и управление подземными водами.
Все более глубокое проникновение
в недра земли вскрыло широкое
развитие в них соленых вод
и рассолов, генезис которых нельзя
было объяснить инфильтрацией
Разработка идеи геологического круговорота воды поднимает гидрогеологию на принципиально иной уровень. Собственно говоря, только с этого времени гидрогеология стала по настоящему геологической наукой, ибо ранее она являлась частью гидрогеологии и изучала подземную ветвь климатического (гидрологического) круговорота. С этого же времени она становится наукой о подземной гидросфере.
Другие типы воды, встречающиеся
в районах активного
Концепция ювенильных вод также подверглась резкой критике. В частности, швейцарский геолог JI. Брун (1911 г.) обосновал положение о безводности вулканов, точнее он приписывал воде вулканического происхождения вторичный генезис, обусловленный ее захватом из вмещающих горных пород. Г. Гёфер (1925 г.) полагал, что ювенильна не вода, а только ее теплота. Многочисленные попытки исследователей отыскать ювенильную воду в природе пока не увенчались успехом. По последним данным В. И. Ферронского и В. А. Полякова, основанным на изотопных данных водорода и кислорода, доля ювенильной воды в вулканах не превышает 5%.
В отличие от ювенильной гипотезы все большее значение приобретает учение о возрожденных водах, развитое русским ученым А.М. Овчинниковым (1904- 1969). Возрожденные воды образуются при метаморфизме осадочных или магматических горных пород из связанных вод» которые в условиях перекристаллизации породы переходят в свободные и включаются в геологический круговорот. Источником возрожденных вод являются воды конституционные, кристаллизационные, цеолитные, гигроскопические, пленочные, капиллярные и частично свободные тонких пор и капилляров.
В 30-е годы наиболее выдающиеся работы, без всякого сомнения, созданы одним из наиболее гениальных людей XX в. — русским ученым В.И. Вернадским (1863-1945 гг.). Его труд "История природных вод", опубликованный в 1933-1936 гг.|по широте и глубине охвата гидрогеологических проблем намного превосходит все когда-либо - издававшиеся работы и занимает выдающееся место в науке в целом. В этой работе В.И. Вернадский наиболее полно показал значение подземных вод в геологической истории Земли. На основании большого количества эмпирических фактов он обосновал положение о единстве природных вод, что является крупнейшим вкладом в мировую науку. Он же первый обосновал принцип постоянства химического состава вод в определенную геологическую эпоху и создал целое новое направление в изучении природного равновесия: вода—горная порода—газы—живое вещество.
В. И. Вернадский первый показал связь химического состава вод с развитием жизни на Земле и поэтому по праву считается основоположником особой отрасли знаний — гидрогеохимии, которая изучает природные воды как подвижные системы, находящиеся в равновесии с другими составляющими земной коры.
Идеи В. И. Вернадского, хотя и получили широкое признание во всем мире, но они до сих пор осознаны не полностью и не все из них вошли в обиход повседневной научной работы. Его книга "История природных вод" — современная энциклопедия по геологии воды признается важнейшим трудом, завершающим становление современной гидрогеологии. В СССР идеи В. И. Вернадского наиболее полно развивали крупные ученые Н.Н. Славянов, Б.Л. Личков, А.М. Овчинников, Н.И. Толстихин, Е.В. Пиннекер, А. И. Перельман, И. К. Зайцев, Е.А. Басков, П.А. Удодов и многие другие.
Распределение воды на Земле и её круговорот
Вода в атмосфере
Тропосфера является нижним слоем атмосферы. Она прилегает непосредственно к земной поверхности./Положение ее верхней границы изменяется под влиянием центробежного ускорения Земли от полюсов к экватору. Над полюсами и в средних широтах высота тропосферы составляет 8—12 км, а в экваториальной зоне достигает 17—18 км. Температура воздуха в тропосфере в различных географических зонах неодинакова, имеет сезонные и суточные колебания. Однако от поверхности земли вверх температура, как правило, понижается на 0,6° С на каждые 100 м.
Для тропосферы характерно непрерывное горизонтальное и вертикальное перемещение воздушных масс.
В тропосфере заключен почти весь водяной пар, следовательно, только здесь возможны процессы конденсации водяного пара с образованием облаков и осадков. На процессы, протекающие в тропосфере, сильно влияет земная поверхность.
В вышележащем слое — стратосфере— также имеют место восходящие и нисходящие воздушные токи, но они ограничиваются только нижней частью стратосферы. Перемешивание частей воздуха происходит здесь значительно слабее по сравнению с тропосферой. В этом слое атмосферы воздух сильно разрежен. Водяного пара в стратосфере очень мало, поэтому дождевые облака и осадки в ней не формируются.
Еще выше расположена ионосфера, выделяемая по особым электрическим свойствам. Нижняя граница ее пролегает примерно на высоте 80 км, а верхняя удалена от поверхности земли на расстояние 1000—2000 км.
Ионосфера характеризуется
Атмосферные осадки.
При подъеме и охлаждении воздуха водяной пар конденсируется, образуя капельки воды или кристаллики льда, из которых состоят облака (слоистые, кучевые и грозовые). Эти мельчайшие частицы (капельки) воды перемещаются в воздухе в виде облаков и тумана. При определенных условиях они выпадают в виде атмосферных осадков.
Атмосферные осадки бывают двух типов: образующиеся при конденсации водяного пара (вследствие понижения температуры воздуха) непосредственно на поверхности земли и наземных предметов (роса, иней, изморозь, гололед);
выпадающие на поверхность земли из облаков в виде дождя, мороси, снега, крупы, града.
Количество атмосферных
Осадки, выпадающие из облаков, подразделяются на три типа: обложные, моросящие и ливневые.
Осадки в твердом состоянии— снег, крупа — выпадают в холодное время года. Твердые осадки могут питать подземные воды только после их перехода в жидкую фазу, т, е. главным образом весной, когда происходит таяние накопившегося за зиму снежного покрова. К твердым осадкам относится также град, который в отличие от снега и крупы обычно достигает поверхности земли в тёплое время года.
Испарение с водной поверхности и суши
Поверхностные воды находятся в жидком и твердом состояниях. С поверхности океанов и морей, рек, озер, влажной почвы, листьев растений и с поверхности - снега и льда непрерывно происходит испарение воды и поступление водяного пара в атмосферу. Испарение с поверхности подземных вод происходит лишь на участках неглубокого их залегания от поверхности земли.
Различают два понятия “испарение” и “испаряемость”.
Испарением называется средняя величина фактического испарения влаги с земной поверхности в данном районе.
Под испаряемостью понимается величина испарения с водной поверхности при данных условиях.
В среднем за год с поверхности земного шара испаряется 525,0 тыс. км3 воды. На это испарение расходуется около 25% солнечной энергии, поступающей в течение года на Землю.
Скорость испарения
Наиболее сложен процесс испарения влаги растениями, который происходит путем транспирации. Транспирация— процесс физиологический, связанный с ростом тканей. Он заключается в том, что растения, всасывающие в вегетационный период влагу из почвы, задерживают только её небольшую часть, остальная влага испаряется.
Понятие о поверхностном и подземном стоках
Под стоком подразумевается передвижение дождевой и талой воды по земной поверхности (поверхностный сток) и в толщах горных пород (подземный сток).
Атмосферные осадки расходуются на поверхностный сток, испарение и поглощение горными породами. Поверхностный сток создается водами, текущими по поверхности земли под влиянием силы тяжести со стороны водораздельных пространств — от более высоких участков к пониженным. Речной сток зависит от нескольких факторов.
- размеры и форма водосборных бассейнов
- климатические условия и вид осадков
- рельеф местности
- характер и состояние склонов
- водопроницаемость горных пород, а также искусственные мероприятия
Выделяют следующие виды питания рек поверхностными водами: дождевое, снеговое, ледниковое и смешанное. Кроме того реки питаются подземными водами.
Подземные воды участвуют в питании вследствие дренирования их речными руслами.
В зависимости от строения рельефа, степени его расчлененности и геоструктурных условий соотношения между бассейнами поверхностного и подземного стока могут быть самыми разнообразными. В некоторых районах они совпадают, в других — бассейны поверхностного стока превышают площади подземных водосборных бассейнов, а иногда бассейны подземного стока значительно превышают наземную водосборную площадь.
Количество воды, протекающей в
единицу времени через
Чтобы определить расход воды Q в том или ином сечении русла реки, необходимо знать среднюю скорость V и площадь сечения S речного потока
Расход воды в общем виде определяется по формуле
Q=VS, м3/с
Для определения скорости течения и расхода воды в речном русле разбивают гидрометрические створы.
Сток может быть выражен следующими характеристиками: модулем стока, нормой стока, коэффициентом стока.
Режим питания реки, распределение стока в течение года, а также величину подземного стока можно определить путем анализа гидрографа реки. Гидрографом называется график изменения во времени расхода воды за год или часть года (сезон, половодье или паводок).
Водный баланс территории
Количественное выражение
постоянным и определяет средние расходы рек и водные ресурсы конкретного региона.
Закономерность изменения
X+K+Y, -Y2 Z+W, +W2 + Ur- U2= О,
где X — количество осадков: К — конденсация влаги; Yi — приток речных вод из других районов; У2 — сток рек за пределы рассматриваемой территории (включая водозабор); Z— испарение; Wj —* изменение запасов подземных вод; W2 — изменение влагозапасов на поверхности водосбора; Uj — приток подземных вод из смежных районов;Х12— сток подземных вод в соседние районы ниже уровня дренирования их речными руслами.
Современные представления о круговороте воды
Учение о круговороте воды в
земной коре имеет долгую историю, анализ
которой показывает, что в течение
продолжительного времени это важное
природное явление
Второй, менее известный, но не менее важный круговорот воды связан с процессами осадкообразования: вместе с осадочным веществом в эпиконтинентальных морях, лагунах, озерах захороняются седиментационные воды. В дальнейшем, после регрессии морей, захороненные воды остаются на территории материков и принимают участие в формировании водоносных горизонтов или в ходе дальнейшего развития земной коры участвуют в метаморфических процессах, проходят стадию связывания горными породами, затем в процессе разрушения кристаллической решетки последних переходят в свободное состояние и по зонам тектонических нарушений направляются к дневной поверхности. Этот механизм движения воды обусловлен геологическими процессами, такими, как осадконакопление, тектонические движения, вулканизм, метаморфизм, гранитизация горных пород и др. Этот тип круговорота воды получил название геологического.
Климатический (гидрологический) круговорот воды
Одно из главных свойств воды на поверхности земли, к которому мы привыкли, — это способность воды изменять в термодинамических условиях земной коры свое фазовое состояние.
Попав в атмосферу, вода вместе с воздухом вовлекается в сложную систему воздушных течений. В определенных условиях пар начинает конденсироваться, собираться в капли воды, которые падают на землю в виде дождя или снега, а на охлажденных участках — ив виде так называемых "горизонтальных осадков": инея, изморози, росы. Количество выпадающих осадков и их форма также зависят от конкретных географических условий: удаленности от берега моря, высоты местности, положения поднятий рельефа относительно воздушных течений, приносящих влагу, и многих других факторов.
Большая часть атмосферных осадков, выпадающих на материки, под влиянием силы тяжести, группируясь в струйки, ручьи и реки, стекает снова в океан, замыкая цикл кругооборота. (Гак совершается одно из наиболее могучих явлений природы, определяющих в итоге климат, а значит, и лик Земли в целом. При этом интенсивность и масштабы этого явления целиком определяются количеством солнечной энергии, поступающей на Землю, которая через сложный механизм движения водных масс определяет климат того или иного участка Земли. Поэтому этот круговорот воды называют климатическим.

- Круговорот воды в природе
- Круговорот воды в природе
- Круговорот воды в природе
- Круговорот воды в природе
- Круговорот воды в природе
- Круговорот воды в природе
- Круговорот воды в природе
- Круговорот воды в природе
- Круговорот воды в природе
- Круговорот воды в природе
- Круговорот воды в природе
- Круговорот воды в природе
- Круговорот воды в природе
- Круговорот воды в природе