Исторические аспекты формирования гидрогеологии как науки

Немного по-другому к проблемам подземных вод подходили мыслители Ближнего Востока и Средней Азии. Примером являются труды выдающегося арабского философа, уроженца Хорезма А. аль-Бируни (972 или 973-1048 гг.), который опередил европейских ученых на шесть-семь столетий в понимании природы фонтанирующих источников и причинах гидростатического напора. Он первым догадался, что для того чтобы вода била вверх, она должна поступать из подземных хранилищ, залегающих выше места расположения родника.

Другим примером является труд персидского исследователя М. Каради (умер в 1016 г.) "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. Нельзя в этой связи не отметить, что бурение для получения воды зародилось в Китае, где еще несколько тысячелетий назад был изобретен ударно-канатный способ сооружения колодцев, который в принципе не отличался от современных. Еще в III тысячелетии до н.э. египтяне применяли колонковое ручное бурение в каменоломнях. Бурение колодцев длилось несколько лет, иногда десятилетий, но достигало огромных глубин (1200-1500 м). В Европе бурение началось только в XII в. К 1126 г. относится проходка скважин на воду на севере Франции в провинции Артуа, которые вскрыли фонтанирующую воду. От названия этой провинции напорные подземные воды стали называть артезианскими. С 1137 г. производится бурение рассолодобывающих скважин и на Руси, где техника "верчения" и обсадки стволов деревянными трубами достигла высокого уровня. В ряде районов России в XI—XIII вв. подземные воды широко использовались не только для питьевых целей, но и для орошения земель и лечения. В XVIII в. устраиваются мощные подземные водопроводы в г. Пушкино, вблизи Санкт-Петербурга, и в Мытищах. По указу Петра I впервые была установлена санитарная охрана питьевых вод и назначены различные поощрения за находку лечебных вод.

По настоящему научные исследования с использованием "числа и меры" начались только в XVII в. и связаны с именами французских исследователей Пьера Перро (1608-1680 гг.) и Эдма Мариотта (1620-1684 гг.), которых по праву можно отнести к основателям современной гидрогеологии. Они на примере р. Сены количественно показали, что атмосферные осадки — источник речной воды. Ими были заложены основы изучения речного баланса, что позволило отказаться от бытовавших взглядов на проникновение морской воды в недра. Книга П. Перро "Происхождение источников", изданная в 1674 г. считается первой работой в области научной гидрологии, трехсотлетие которой, по инициативе ЮНЕСКО, широко отмечалось в 1974 г. В этой книге на примере бассейна р. Сены показано, что речной сток составляет только 1/6 часть от общего количества осадков и что "последних вполне достаточно для непрерывного тока воды в реках и источниках".

Несколько позже известный английский астроном и геофизик Эдмунд Галлей (1656-1742 гг.) измерил количество испарений с поверхности Средиземного моря, которое оказалось равным количеству воды, поступающей с реками. Данные Галлея послужили первым доказательством круговорота воды. Инфильтрационную теорию происхождения подземных вод поддерживал и развивал великий русский ученый М.В. Ломоносов (1711-1765 гг). В своей работе "О слоях Земных" (1740-1750 гг) он показал значение подземных вод в геологических процессах и в горном деле, сформулировал ряд научных положений о подземных водах, как сложных природных растворах, обосновал возможность питания их атмосферными осадками, описал круговорот воды в природе, подчеркивал роль горных пород в формировании их состава, возможность использования воды при поисках рудных тел. В это же время по инициативе Петра I и М.В. Ломоносова в России Академией наук организуются экспедиции по комплексному изучению природных богатств, включая подземные воды. В работах экспедиций принимали участие крупные русские ученые — СП. Крашенинников, В.Ф. Зуев, Н.И. Лепехин, Н.Ф. Озерецковский, В.М. Севергин и др., которые собрали первые сведения о географическом распределении родников, их составе, условиях залегания верхних водоносных горизонтах, строении бассейнов, заложили первые "кирпичи" в здание региональной гидрогеологии. Надо себе, однако, представлять, что в это время вода считалась компонентом мироздания, имеющим простое строение без деления на какие-либо еще более простые соединения. И тут понадобился гений французского исследователя с очень драматичной судьбой — Антуана Лавуазье, который рядом точных опытов показал, что при горении вещество не разлагается с выделением флогистона, как думали раньше, а, наоборот, происходит присоединение кислорода. Хотя этот газ был открыт раньше К.В. Шееле и Дж. Пристли, но его место и значение не было понято. Для этого нужно было А. Лавуазье показать, что вода — это не простое вещество, а сложное соединение, состоящее из кислорода и водорода. Тем самым был нанесен последний удар по теории флогистона и открыты новые пути в химию воды.

Развернувшаяся в конце XVIII в. и начале XIX в. ожесточенная дискуссия между плутонистами — сторонниками магматического образования горных пород (школа Д. Геттона) и нептунистами — сторонниками осадочно-морского происхождения горных пород (школа А.Г. Вернера), оказала большое влияние на развитие представлений о подземной гидросфере. Именно в это время (1802 г) был предложен термин "гидрогеология" известным французским - естествоиспытателем Ж.Б. Ламарком (1744-1829 гг), представителем школы нептунистов. Под гидрогеологией Ламарк понимал науку о геологической деятельности воды, явлении разрушения и отложения водой горных пород.

Другой французский исследователь Л. Эли де Бомон (1798-1874 гг) указал на возможность формирования подземных вод за счет кристаллизующейся магмы, положив фактически начало учению о ювенильных водах. 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. В 1857 г. другой французский инженер-гидравлик Ж. Дюпюи применил закон Дарси к исследованию движения подземных вод в водоносных горизонтах и вывел ряд важных уравнений для определения водопритоков в скважины. Несколько позже немецкий гидравлик А. Тим и австриец Ф. Форхгеймер широко использовали математические методы изучения законов движения подземных вод. 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 [4].

Таким образом, ко второй половине XIX в. сформировались достаточно верные представления о происхождении, составе и распространении подземных вод в верхней части земной коры, сформулированы первые законы, заложены основы изучения региональных закономерностей, появились первые классификации подземных вод. На водоснабжение за счет подземных вод переводятся крупные города — Париж, Вена, Берлин, Чикаго и др. В это же время уже широко используются и изучаются минеральные, карстовые и артезианские воды. Появились первые гидрогеологические карты. Все это позволяет заключить, что становление гидрогеологии, как науки, состоялась именно в это время [3].

Об этом же свидетельствует и тот факт, что в конце XIX в. выходят на французском (А. Добре, 1887 г) и немецком (И. Гааз, 1895 г) языках книги, посвященные систематизированному изложению основ учения о подземных водах. В дальнейшем гидрогеология развивалась по нескольким направлениям: 1) региональному — исследовались все новые и новые бассейны подземных вод в разных странах мира и геологических структурах; 2) генетическому — в научный анализ включались воды все более и более глубоких горизонтов: соленые, рассолы, термальные; 3) гидродинамическому — вывод новых формул и выявление закономерностей движения воды разных видов в различных геологических структурах, математическое моделирование; 4) гидрогеохимическому — исследование состава и условий формирования разнообразных типов воды, использование полученных данных в решении различных задач, включая поиски полезных ископаемых; 5) палеогидрогеологическому — история воды и ее геологическая роль; б) экологическому — охрана, рациональное использование и управление подземными водами. Это последнее направление исследований только начинается. Остановимся только на некоторых наиболее общих достижениях гидрогеологии до обобщающих работ В.И. Вернадского. Все более глубокое проникновение в недра земли вскрыло широкое развитие в них соленых вод и рассолов, генезис которых нельзя было объяснить инфильтрацией атмосферных осадков. Возникла идея наличия в земных недрах ископаемых вод морского генезиса. Эта идея высказана независимо друг от друга австрийским геологом Г. Гѐфером (1902 г), русским академиком Н.И. Андрусовым (1908 г) и американским гидрологом А.Ч. Лейном (1908 г). Так, идея древних мыслителей о проникновении морской воды получила новое рождение, правда, на принципиально новой основе.

Ископаемые воды — воды древних морей попадают в недра Земли вместе с захоронением донных отложений и сохраняются в течение геологически длительного времени как реликт морских бассейнов прошлых геологических эпох. Как видим, механизм проникновения морской воды в недра оказался совершенно не таким, как представлял себе А. Кирхер.

Идея ископаемых морских вод получила развитие в работах многих исследователей и в настоящее время является базовой для понимания многих геологических явлений, и процессов, протекающих в земной коре. На основе этой идеи развилось представление о принципиально новом геологическом круговороте воды в земной коре. Это представление наиболее полно развито русскими исследователями А.Е. Ходьковым, Г.Ю. Валуконисом, А.Н. Павловым, С.Л. Шварцевым. 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 гидрологии и изучала подземную ветвь климатического (гидрологического) круговорота. С этого же времени она становится наукой о подземной гидросфере.

Идея ископаемых морских вод рождалась также не без споров и критики оппонентов. Явное несоответствие состава и солености захороненных вод современным морским водам вызывает и сегодня противоречивые мнения. Одни исследователи (Р. Миллс, Р. Уэллс, В.А. Сулин, Е.В. Посохов и др.) развивали идеи о том, что древние моря были иного, чем современные, состава, близкого к подземным рассолам; другие (Д. Роджерс, Л. Мразек, Р. Нил, А.Д. Архангельский, Н.С. Курнаков, М.Г. Валяшко и др.) выдвинули идею о метаморфизации (направленном изменении состава) морских вод в процессе их захоронения и взаимодействия с горными породами. Однако механизмы такого взаимодействия и масштабы их проявления до конца не поняты до сих пор.

Другие типы воды, встречающиеся в районах активного вулканизма, горячие с выделением газов (гейзеры) издавна также интересовали исследователей. Однако только в начале XX в. (1902 г) была предложена австрийским геологом Э. Зюссом (1831-1914 гг) более или менее обоснованная гипотеза ювенильных вод. Так он назвал воды, генерируемые в глубинах Земли из водорода и кислорода. Ювенильные, т.е. первозданные воды, в отличие от вадозных (мелких или поступающих с поверхности земли, экзогенных) выделяются из магмы при ее остывании, т.е. по своей природе являются эндогенными, и через нарушения или вулканы включаются в круговорот. Концепция ювенильных вод также подверглась резкой критике. В частности, швейцарский геолог Л. Брун (1911 г) обосновал положение о безводности вулканов, точнее он приписывал воде вулканического происхождения вторичный генезис, обусловленный ее захватом из вмещающих горных пород. Г. Гѐфер (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 A.M. 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.

Региональные закономерности подземных вод исследовались во многих странах, но наибольших успехов в этом направлении добились, пожалуй, русские исследователи. К первым широким обобщениям этого плана относятся работы С.Н. Никитина (1900 г), Н.Ф. Погребова (1902 г.), И.В. Мушкетова (1905 г) и других исследователей, которые дали представление о закономерностях распространения и географической зональности подземных вод, их составе, глубине залегания и тем самым заложили реальные основы региональной гидрогеологии. Особенно велика роль С.Н. Никитина, которого по праву называют основоположником отечественной гидрогеологии. В его понимании, гидрогеология - наука "о подземных водах, их происхождении, условиях залегания и распределении в недрах земных, их движении и выхода на поверхность в виде источников". Основным законом гидрогеологии С.Н. Никитин считал круговорот воды, а также ее зональность (гидродинамическая и гидрогеохимическая). Работы великого русского ученого-почвоведа В.В. Докучаева о зональности почв оказали глубокое влияние на развитие учения о зональности грунтовых вод, которое с успехом развивали П.В. Отоцкий, B.C. Ильин, Ф.П. Саваренский, Г.Н. Каменский и др.

Среди работ начала XX в. особняком стоят исследования американского геохимика Ф.У. Кларка, впервые рассчитавшего средние содержания химических элементов в горных породах, морских и поверхностных водах. Тем самым в научный обиход была введена новая константа, характеризующая состав земных объектов, — кларк, играющая важную роль и в гидрогеологии. В это же время значительный вклад в науку о подземных водах внесли французские (А. Маже, Л. Поше, Р. Чало, Ж. Буссинеск и др.), немецкие (К. Кейльгак, Е. Принц, Е. Люгер и др.), американские (Ч. Слихтер, Д. Мид, О. Мейнцер и др.), русские (П.Н. Чирвинский, П.И. Бутов, Н.Ф. Погребов, А.Н. Семихатов, А.Ф. Лебедев, Ф.П. Саваренский, Г.Н. Каменский и др.) исследователи. Особенно популярными были работы К. Кейльгака "Подземные воды и источники суши", выдержавшая три издания (1912, 1917, 1935 гг), Е. Принца "Гидрогеология" (1922 г) и 0.Е Мейнцера "Гидрогеологические понятия, определения и термины" (1923 г). Эти и другие труды зарубежных ученых (Ч. Слихтера, В. Рихтера, Г. Гѐфера) были переведены и изданы на русском языке. Среди работ русских исследователей можно назвать первый учебник по гидрогеологии П.Н. Чирвинского [6], "Подземные воды СССР", А.Н. Семихатова (1925 г), "Краткий курс общей гидрогеологии" O.K. Ланге (1931 г) и др. Однако наибольшее значение имела книга А.Ф. Лебедева "Почвенные и грунтовые воды" (1936 г), в которой он поставил последнюю точку в тысячелетней дискуссии о механизмах проникновения воды в Землю: он доказал, что подземные воды передвигаются под действием не только силы тяжести, но также и сил молекулярного притяжения в виде пленочной или парообразной воды. Им же было разработано учение о видах воды в горных породах, сохраняющее свое значение и до настоящего времени. 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 [6] 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 [5]. В СССР идеи В.И. Вернадского наиболее полно развивали крупные ученые Н.Н. Славянов, Б.Л. Личков, A.M. Овчинников, Н.И. Толстихин, Е.В. Пиннекер, А.И. Перелъман, И. К. Зайцев, Е.А. Басков, П.А. Удодов и многие другие. В таблице 1 в хронологическом порядке приводятся наиболее важные вехи становления гидрогеологии наиболее важные вехи становления мировой гидрогеологии по Н.Н. Веригину и др. [6] до обобщающих работ В.И. Вернадского.

Таблица 1. Наиболее важные вехи становления гидрогеологии