Анализы газов, растворенных в подземных водах, производятся редко. Однако газы играют большую роль в гидрогеологических процессах. Газы, выделяющиеся из раствора, образуют пузырьки, которые препятствуют движению воды в водоносных горизонтах, особенно вблизи скважин. Некоторые растворенные газы, такие, как кислород и двуокись углерода, сильно влияют на химический состав воды, другие отрицательно действуют при использовании воды. Например, метан, выделяясь из раствора, может скапливаться и вызывать пожар или взрыв. Растворенный кислород вызывает коррозию металлов. Концентрация сероводорода, превышающая 1 ч. на 1 млн., делает воду непригодной из-за неприятного запаха. Присутствие сероводорода также способствует росту некоторых бактерий, кольматирующих фильтры скважин и трубы. Растворимость большинства газов в воде прямо пропорциональна давлению и обратно пропорциональна температуре. Действие температуры на растворимость некоторых газов видно из табл. 4.3.

В большинстве подземных вод растворенные газы имеют концентрации от 1,0 до 100 ч. на 1 млн. Более высокое содержание газов возможно в специфических условиях. Из воды некоторых скважин выделяются большие количества метана, сероводорода и углекислого газа. Вероятно, эти газы находятся в такой воде под давлением в несколько атмосфер. Вода, просачивающаяся через разлагающиеся органические остатки, может содержать большие количества растворенного аммиака, который, вероятно, быстро окисляется до нитрата. Аммиак имеется также в воде некоторых термальных источников.

Растворенные газы в дождевой воде и воде рек с водопадами находятся почти в равновесии с атмосферными. Если такие поверхностные воды инфильтруются непосредственно в сильно проницаемые водоносные породы, растворенные газы сохраняют свою первоначальную концентрацию. Однако в большинстве случаев вода, прежде чем пропикнуть в водоносные горизонты, инфильтруется в почву и подстилающие ее породы. Содержание кислорода в инфильтрующейся воде уменьшается вследствие окисления минералов, деятельности микроорганизмов и диагенеза органического вещества. При повышении температуры газ выделяется из воды, при охлаждении воды в процессе инфильтрации в раствор поступает дополнительное количество газа. Концентрация метана, сероводорода, аммиака и других газов может увеличиться в области питания, в связи с чем устанавливается новое равновесие газов в растворе. Количество азота в воде снижается некоторыми бактериями. В результате описанных процессов содержание газа в воде при поступлении ее в водоносный горизонт на значительных площадях существенно отличается от содержания газа в поверхностных водах. При достижении инфильтрующейся водой зоны полного насыщения концентрация газа в воде остается относительно постоянной, особенно если вода находится под артезианским напором. Однако небольшие изменения в содержании газа в подземных водах происходят вследствие медленного окисления минералов и, вероятно, деятельности микроорганизмов на глубине.

Концентрации инертных газов, к которым относятся гелий, аргон и неон, очень чувствительны даже к незначительным изменениям в содержании различных газов подземных вод. Сугисаки использовал эту особенность для определения первоначальной температуры подземной воды в период, когда она просачивается из русла реки в проницаемый водоносный горизонт. Поскольку высокое содержание аргона указывает на низкую температуру, а низкое содержание — на высокую температуру в период питания, можно найти слои зимней и летней воды, расположенные вниз по потоку от области питания, и определить скорость движения воды.

Температура воды в момент питания определяется по содержанию аргона. Ориентировка разреза совпадает с направлением движения подземных вод. Расстояние между минимальными температурами соответствует пути (более 2 км), проходимом подземными водами за один год. С течением времени подземные воды обогащаются гелием и в меньшей степени — аргоном, поскольку радиоактивный распад урана и тория продуцирует гелий, а калий-40, распадаясь, дает аргон. Быстро циркулирующие подземные воды постоянно уносят в небольших количествах гелий и аргон, которые выделяются из пород, контактирующих с водой. Малоподвижные подземные воды больших артезианских бассейнов и почти неподвижные погребенные воды отличаются повышенной концентрацией, по крайней мере гелия и, возможно, аргона. Судя по относительной распространенности гелия в атмосфере по сравнению с его природными запасами, соотношение гелия и аргона должно увеличиваться от примерно 0,0005 в поверхностных водах до 1,0 в некоторых соленых водах, находящихся в контакте с месторождениями газа.

Искусственно закачиваемый в скважины гелий успешно применяется в качестве индикатора движения подземных вод. Он безвреден в биологическом отношении и инертен, т. е. не вступает в химические реакции с водой и породами водоносного горизонта. Широкое применение гелия как индикатора осложнено необходимостью использовать специальное аналитическое оборудование.

Бактериальное загрязнение связано с появлением в подземных водах болезнетворных бактерий, что может являться причиной массовых случаев, главным образом кишечных заболеваний при использовании загрязненных вод в хозяйственно-питьевых целях. Большинство болезнетворных (патогенных) бактерий, по имеющимся оценкам, сохраняют свою жизнедеятельность короткое время (максимально до 1000 суток), поэтому бактериальное загрязнение, как правило, не распространяется на значительные расстояния и носит временный характер.

К сожалению, в настоящее время существуют ограниченные данные о выживаемости и распространении болезнетворных бактерий и вирусов в условиях водоносных горизонтов.

Бактериальное загрязнение, как правило, наиболее интенсивно проявляется в первом от поверхности (грунтовом) водоносном горизонте. Очаги загрязнения чаще всего связаны с полями ассенизации и фильтрации, скотными дворами, выгребными ямами, неисправностями канализационных сетей, участками сброса канализационных стоков в поверхностные воды или закачки их в поглощающие колодцы и скважины и т.д.

Оценка бактериального загрязнения воды проводится путем определения содержания наиболее жизнестойких бактерий вида colli (кишечная палочка). Вода считается чистой, если в 1 л ее содержится не более трех кишечных палочек. Для бактериальной характеристики подземных вод чаще используется обратная величина «коли-титр», определяемая количеством кубических сантиметров воды, приходящихся на одну кишечную палочку. Для чистой воды «коли-титр» должен быть больше 333. Кроме содержания кишечной палочки производится оценка общего количества бактерий в 1 мл воды, а в случае подозрения на бактериальное загрязнение воды - определение содержания болезнетворных бактерий, кишечных вирусов и яиц гельминтов.

Основы инженерной геологии.

Объектом изучения инженерной геологии являются грунты – почвы и горные породы любого состава и генезиса, изучаемые как основания фундаментов различных инженерных сооружений, как среда и материал для их возведения, а также инженерно-геологические процессы и явления. Основными задачами всех выполняемых исследований являются изучение и оценка инженерно-геологических свойств горных пород (физических, механических, водных, коллоидно-химических и др.), т.е. свойств, которые определяют поведение горных пород при использовании их в качестве объектов инженерно-строительной деятельности.
Свойства грунтов определяют и условия ведения горных работ. В зависимости от прочности, трещиноватости, выветрелости, липкости грунтов выбирают технологию и способ ведения горных работ. Для оценки водопритоков в горные выработки, а также эффективности работы водопонижающих систем определяют фильтрационные свойства грунтов. Расчет устойчивости сводов подземных выработок проводится на основании показателей прочности грунтов на сдвиг и разрыв. Состав, структура (обусловлена характером внутренних связей, размером, формой, расположением и количественным соотношением основных структурных элементов) и текстура (совокупность признаков, характеризующих пространственное расположение структурных элементов грунта) определяют качество грунтов при их использовании.
При оценке грунтов, в связи с инженерной деятельностью, применяются различные классификации, среди которых важное значение имеет их общая инженерно- геологическая, разработанная группой ученых и принятая в 1957 г. Совещанием по инженерно-геологическим свойствам пород, которая базируется на основных физических свойствах грунтов, отношении к воде и главнейшим техническим показателям.

Инженерно-геологическая классификация грунтов.
На основании вышеперечисленных показателей грунты подразделяются на следующие группы:

а) скальные грунты - изверженные, метаморфические и осадочные с жесткой связью между зернами (спаянные и сцементированные), залегающие в виде сплошного массива. Прочность скальных грунтов высокая. Предел прочности на сжатие у магматических пород изменяется от 800 до 3500 кГс/см2. У метаморфических пород он колеблется от 400 до 2500 кГс/см2, у осадочных – от 200 до 1200 кГс/см2. При такой прочности от давления инженерных сооружений эти грунты не сжимаются. Водопроницаемость скальных грунтов зависит от степени их трещиноватости и пористости. Кроме прочности на сжатие к одним из основных свойств скальных грунтов относятся сопротивление их сдвигу и водопроницаемость. Водопроницаемость скальных грунтов зависит от степени их трещиноватости и пористости. Монолитные скальные породы практически водонепроницаемы.
б) полускальные грунты - также обладают жесткими структурными связями. К ним относятся трещиноватые и выветрелые скальные грунты, в основном осадочные и некоторые метаморфические горные породы. К практически нерастворимым полускальным грунтам относятся опоки, трепелы, диатомиты, алевролиты, аргиллиты, глинистые и некоторые сланцы. Растворимыми грунтами являются гипсы, ангидриты, трещиноватые известняки и доломиты, каменная соль, известковые туфы. Полускальные грунты достаточно прочны. Предел прочности на сжатие у них колеблется от 50 до 500 кГс/см2. У выветрелых, трещиноватых и закарстованных разновидностей он снижается до 20-25 кГс/см2. В направлении сланцеватости и слоистости прочность их также снижается. Водопроницаемость обусловлена первичной пористостью и вторичной трещиноватостью, кавернозностью, величина которой определяется главным образом размером трещин и карстовых пустот.
в) грунты с мягкими структурными связями. К таким грунтам относятся осадочные глинистые, пылеватые и смешанные породы (глины, суглинки, лёсс, супеси), илы. Свойства этих грунтов определяются их гранулометрическим и минеральным составом, структурой и текстурой. Пористость их обычно высокая до 50-60 %, но водопроницаемость либо незначительна, либо практически отсутствует. Характерной особенностью мягких грунтов является изменение свойств грунта в зависимости от влажности (набухание, пластичность, липкость, просадочность и др.).
г) грунты, не имеющие структурных связей. Эта группа представлена рыхлыми, несвязанными грунтами (гравий, галечник, дресва, щебень, различные пески). Прочность их обусловлена силами трения, пористостью, размерами, формой, составом обломков и уменьшается при увлажнении. При статических нагрузках слабо или практически несжимаемы. Рыхлые несвязные грунты не обладают пластичностью, но некоторые разновидности, насыщенные водой могут переходить в плывунное состояние. Обычно водопроницаемы, не влагоемки или слабовлагоемки, обладают капиллярными свойствами. Пористость их 35-40 % иногда 40-50 %, угол внутреннего трения 30?-35?.
д) искусственные грунты. Искусственные грунты – это грунты, сформировавшиеся в результате деятельности человека. Они подразделяются на культурные – сформировавшиеся на месте древних и современных поселений человека и техногенные образования. Последние возникли и формируются под действием инженерной деятельности человека (терриконы, грунты в теле дамб, насыпей, шлаковые отходы и др.). По составу они обычно связные или слабосвязные.
В заключение следует отметить, что грунты всех классов со временем могут изменяться под действием природных геологических факторов и деятельности человека. При этом свойства грунтов, как правило, ухудшаются.