Вода в нашей жизни

Вода в нашей жизни – самое обычное и самое распространённое вещество. Однако с научной точки зрения это самая необычная, самая загадочная жидкость.

Океан, покрывающий почти всю нашу планету, всю нашу чудесную планету Землю, в которой миллионы лет назад зародилась жизнь, - это вода. Тучи, облака, туманы, несущие влагу всему живому на земной поверхности, - это ведь тоже вода.

Бескрайние ледяные пустыни полярных областей, снеговые покровы, застилающие почти половину планеты, - и это вода.

Прекрасно, невоспроизводимо бесконечное многообразие красок солнечного заката, его золотых и багряных переливов; торжественны и нежны краски небосвода при восходе солнца. Эта обычная и всегда необыкновенная симфония цвета обязана рассеянию и поглощению солнечного спектра водяными парами в атмосфере. Это великий художник природы – вода.

Горные цепи сложены гигантскими толщами сотен различных горных пород, и геологи знают, что большинство из них создано величайшим строителем природы – водой. Непрерывно изменяется облик Земли. На месте, где возвышались высочайшие горы, расстилаются бескрайние равнины, их создаёт великий преобразователь – вода.

Безгранично многообразие жизни. Она всюду на нашей планете. Но жизнь есть только там, где есть вода. Нет живого существа, если нет воды.

Почему же самая обычная, всем известная вода занимает столь особое место в жизни природы? Чем объясняется такая исключительная роль воды?

Почти все физико-химические свойства воды – исключение в природе. Она действительно самое удивительное вещество на свете. Трудно назвать какое-либо её свойство, которое не было бы аномальным.

Вода - единственное в мире вещество, которое после плавления сначала сжимается, а затем по мере повышения температуры начинает расширяться. Примерно при 4оС у воды наибольшая плотность. В обычных жидкостях плотность всегда уменьшается с температурой. В воде повышение температуры увеличивает тепловую скорость молекул, но почему-то это приводит в ней к понижению плотности только при высоких температурах. В этом проявляет себя первая аномалия плотности воды, так как она двоякая .

Такое необычное свойство воды имеет огромное значение для жизни. В водоёмах перед наступлением зимы постепенно охлаждающаяся вода опускается вниз, пока температура всего водоёма не достигнет 4оС. При дальнейшем охлаждении более холодная вода остаётся сверху и всякое перемешивание прекращается. В результате создаётся необычное положение: тонкий слой холодной воды становится как бы «тёплым одеялом» для всех обитателей подводного мира. При такой температуре сохраняется жизнь в водоёмах.

Любопытна и еще одна закономерность, которая происходит в природе. Холодная вода, опускаясь, обеспечивает снабжение кислородом глубинных слоёв океанов, морей, озер и рек. В свою очередь, теплые слои воды, поднимаясь вверх, выносят растворы солей, и другие пищевые вещества в верхние слои. Всё это способствует развитию жизни. Благодаря удивительным аномальным свойствам воды жизнь в океанах и морях никогда не исчезнет.

Вторая аномалия плотности состоит в том, что плотность воды больше плотности льда. При замерзании (0о) объем её скачкообразно увеличивается на 10%, и плотность воды (льда) уже составляет 0. 9168, то есть уменьшается. Скачок плотности при плавлении льда аномален не только по знаку, но и по величине.

Что могло бы произойти, если бы вода не обладала бы этим чрезвычайно редким свойством? В этом случае жизнь на нашей планете не могла бы даже возникнуть. Лед, едва появившись на поверхности водоёма, тут же погружался на дно. Не только пруды и реки, но и океаны промерзали бы насквозь. Наш прекрасный цветущий зелёный мир стал бы сплошной ледяной пустыней, кое-где покрытой тонким слоем талой воды.

АНОМАЛИЯ СЖИМАЕМОСТИ ВОДЫ.

Вот ещё пример аномалии воды: необычное температурное поведение её сжимаемости, то есть степени уменьшения объёма при увеличении давления . Обычно сжимаемость жидкости растёт с температурой: при высоких температурах жидкости более рыхлы (имеют меньшую плотность) и их легче сжать. Вода обнаруживает такое нормальное поведение только при высоких температурах. При низких же сжимаемость ведёт себя противоположным образом, в результате чего в её температурном поведении появляется минимум при 45°С.

На этих двух примерах мы видим, что необычные свойства воды характеризуются появлением максимумов (как в плотности) или минимумов (как в сжимаемости) на кривых их зависимостей от температуры. Такие экстремальные зависимости означают, что в воде имеет место противоборство двух процессов. Один процесс – это обычное тепловое движение, усиливающееся с ростом температуры и делающее воду более разупорядоченной; другой процесс необычный, присущий только воде, за счёт него вода становится более упорядоченной при низких температурах.

АНОМАЛИЯ ТЕПЛОЁМКОСТИ ВОДЫ.

Рассмотрим ещё одну, самую сильную аномалию воды – температурное поведение её теплоёмкости (Risunok3. jpg). Для подавляющего числа веществ теплоёмкость жидкости после плавления кристалла увеличивается незначительно – никак не более 10%. Другое дело – вода. При плавлении льда теплоёмкость скачет от 2100 Дж/кгК до 4200 Дж/кгК, то есть в два раза! Такого огромного скачка теплоёмкости при плавлении не наблюдается ни у одного другого вещества: здесь вода абсолютный рекордсмен.

Скачок теплоёмкости после плавления означает, что в воде открываются какие-то новые процессы (и очень энергоёмкие), на которые тратится подводимое тепло. Избыточная теплоёмкость существуют во всём диапазоне температур, при которых вода находится в жидком состоянии.

Это свойство воды также имеет колоссальное значение. Благодаря нему вода прекрасно смягчает климат на земном шаре. Она является температурным регулятором. Весной и летом, медленно нагреваясь, вода охлаждает готовый накалиться воздух. В осенние же месяцы она выполняет обратные функции: медленно остывая, поддерживает определённую температуру воздуха.

Сегодня уже не вызывает никаких сомнений то, что именно из-за столь большой теплоемкости вода – это великий распределитель тепла на Земле. Нагретая Солнцем под экватором, она переносит тепло в Мировом океане гигантскими потоками морских течений в далекие полярные области, где жизнь возможна только благодаря этой удивительной особенности воды. Не будь у неё этих качеств, климат на Земле был бы значительно менее благоприятным для жизни, несравненно суровее были бы зимы и жарче летние периоды. Таким образом, вода играет роль махового колеса природы и климата.

АНОМАЛИЯ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ ПЛАВЛЕНИЯ ВОДЫ.

По сравнению с другими жидкостями вода обладает ещё одним чрезвычайно важным аномальным качеством – исключительно большой удельной теплотой плавления. Чтобы расплавить 1кг льда необходимо затратить 335000 Дж тепла. При замерзании воды такое же количество тепла снова выделяется. На первый взгляд, кажется, что эта величина не имеет столь большого значения. На самом деле, когда наступает зима, образуется лёд, выпадает снег и вода отдаёт обратно тепло, подогревает Землю и воздух. Они противостоят холоду и смягчают переход к суровой зиме. Благодаря этому замечательному свойству воды на нашей планете существует осень и весна. Это свойство спасает нас от катастрофических весенних наводнений. Из-за медленного таяния льда и снега почва вбирает в себя достаточное количество влаги и тем самым предотвращает в некоторых случаях гибель растений во время засухи.

АНОМАЛИЯ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ ПАРООБРАЗОВАНИЯ ВОДЫ.

Нет ни одного вещества, у которого удельная теплота парообразования была бы больше, чем у воды, она составляет 2,3 106 Дж/кг. Вода – лучший теплоноситель. Ничто не может сравниться с ней. Ничто не может лучше работать в паровых турбинах электростанций, в цилиндрах паровых двигателей.

Вода – гигантский двигатель и в природе. Солнцу приходится затрачивать очень много энергии, чтобы превратить её в пар. Солнце испаряет на Земле за одну минуту миллиард тонн воды. Каждую минуту миллиард тонн водяного пара вместе с восходящими потоками нагретого воздуха поднимается в верхние слои атмосферы.

Энергия Солнца, поднятая с водяным паром вверх, неминуемо должна выделиться обратно, когда пар превращается в облака. Эта энергия переходит в тепловую энергию, нагревая воздух. Каждую минуту водяной пар отдаёт атмосфере Земли чудовищно огромное количество энергии – 2,2•1010 Дж. Столько энергии за то же время могли бы выработать 40 миллионов электростанций, по миллиону киловатт каждая.

Это та энергия, которая переносит сотни миллиардов тонн воды по воздуху в облаках и орошает дождями всю поверхность Земли, Это та энергия, за счет которой дуют ветры, возникают бури, рождаются ураганы и штормы.

АНОМАЛИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ВОДЫ.

В молекуле воды центры положительных и отрицательных зарядов сильно смещены друг относительно друга (представляет собой – диполь). Поэтому вода обладает исключительно высоким, аномальным значением диэлектрической проницаемости. Для воды.

Именно благодаря аномально высокой диэлектрической проницаемости вода – один из самых высоких растворителей. Она даже способна растворить любую горную породу на земной поверхности. Медленно и неотвратимо она разрушает даже граниты, выщелачивая из них легкорастворимые составные части.

Нет в природе такой прочной породы, которая могла бы сопротивляться всемогущему разрушителю – воде. Морская вода – прекрасный растворитель. Более семидесяти элементов Периодической системы Менделеева содержится в ней. Кровь человека и других животных близка по составу к морской воде. Растения извлекают из земли питательные вещества в виде водного раствора. Если бы вода не обладала удивительным свойством – необычайно высокой диэлектрической проницаемостью, море бы не было соленым. Но это некому было бы заметить – не было бы на Земле жизни.

АНОМАЛИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ВОДЫ.

Ещё одной замечательной особенностью воды является её исключительно большое значение поверхностного натяжения воды - 72 мН/м. Эта сила и придает мыльному пузырю, падающей капле и любому количеству жидкости в условиях невесомости форму шара. Она поддерживает бегающих по поверхности пруда жуков, поднимает воду в почве, стенки тонких пор и отверстий в ней хорошо смачиваются водой. Вряд ли вообще могло возникнуть земледелие, если бы вода не обладала этой исключительной особенностью.

АНОМАЛИИ ОСНОВНЫХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВОДЫ.

Каждый знает, что вода кипит при температуре 100оС. Больше того, всем известно, что именно температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении и выбрана в качестве одной из опорных точек температурной шкалы, условно обозначенной 100оС.

Температуры кипения различных веществ не случайны. Они зависят от положения элементов, входящих в состав их молекул, в периодической системе Менделеева.

Если определить температуру кипения гидрида кислорода по его положению в периодической таблице, то оказывается, что вода должна кипеть при температуре -76оС. Следовательно, вода кипит приблизительно на сто восемьдесят градусов выше, чем должна кипеть.

Попробуем представить, что произошло бы на Земле, если бы вода не проявляла аномальности в значении температуры кипения. Океаны внезапно закипели бы. На Земле не осталось бы ни одной капли, и на небе никогда не могло бы появиться ни одного облачка. Ведь в атмосфере земного шара температура нигде не падает ниже -80-90оС.

Второй опорной точкой термометра является температура отвердевания воды – 0оС. Это самое обычное свойство воды. Но и в этом случае можно спросить: при какой температуре должна замерзать в соответствии со своей химической природой вода? Оказывается, гидрид кислорода на основании его положения в таблице Менделеева должен был бы затвердевать при ста градусах ниже нуля, то есть при температуре -100оС. Нетрудно представить, что происходило бы на нашей планете, если бы вода не проявила своего непослушания. Немедленно на всей нашей планете исчезли бы снега и льды. Невозможно было бы кататься на коньках, бегать на лыжах; впрочем, и некому тогда было бы кататься и бегать.

1. ВОДОРОДНЫЕ СВЯЗИ.

Структура любого вещества определяется характером взаимодействий между молекулами. Рассмотрим простейшие свойства родственных с водой жидкостей – гидридов VI группы Периодической системы элементов Д. И. Менделеева Мы видим, что вода резко выпадает из плавной зависимости температур плавления и кипения этих жидкостей. Значит, между молекулами воды действуют какие-то особые силы, которые называют водородными связями. Водородные связи возникают в результате специфического распределения электронной плотности. Хорошей моделью воды в этом отношении является правильный тетраэдр . В такой модели углы между каждой парой линий, соединяющий центр (атом О) с вершинами, равны 109,50-так называемому тетраэдрическому углу Т. Наиболее выгодным расположением других молекул воды вокруг данной является такое, что против положительного заряда одной расположен отрицательный заряд другой и центры атомов О и Н одной и О другой находятся на одной линии О-НО (здесь сплошной линией показана химическая связь внутри одной молекулы, а точками - водородная связь между двумя молекулами). Водородная связь имеет электростатическую природу. У родственных воде гидридов водородные связи между их молекулами не образуются. Таким образом, особые свойства воды являются следствием специфического электронного устройства её молекул.

2. СТРУКТУРА ЛЬДА.

Описанная выше наиболее выгодная конфигурация водородных связей вокруг каждой молекулы воды реализуется в кристаллах льда . Это сетка водородных связей: в узлах сетки находятся молекулы воды, а её ребра образованы водородными связями. Сетка имеет особое устройство: в каждом её узле сходятся четыре связи; поэтому сетку можно назвать четырежды координированной. Все углы между связями в сетке равны тетраэдрическому углу Т. Сетка состоит из изогнутых шестичленных колец; поэтому сетка называется гексагональной и вся структура льда обозначается как гексагональный лёд (коротко, лёд Ih).

Характерной особенностью структуры льда является то, что в ней молекулы упакованы рыхло. Если бы молекулы воды во льду были плотно упакованы, то его плотность составляла 2,0 г/см3 , тогда как на самом деле она равна 0,92 г/см3. Рыхлость упаковки должна была бы приводить к неустойчивости структуры и можно было бы ожидать, что при сжатии льда внешним давлением сетка водородных связей будет разрушаться, пустоты структуры будут с лёгкостью схлопываться, заполняясь молекулами, вырванными из этой сетки. На самом деле сетка водородных связей перестраивается. При повышении давления обычный гексагональный лед Ih меняет свою структуру. Оказывается более выгодным не разорвать некоторые водородные связи, а сохранить их все, лишь деформируя сетку, несколько изменяя углы между связями. В этой удивительной структурной устойчивости состоит важнейшее свойство сеток водородных связей между молекулами воды.

II. 3. СТРУКТУРА ВОДЫ И ЕЁ ПЕРЕСТРОЙКА.

Что же происходит при плавлении льда? Сетка водородных связей не должна разрушаться, но кристаллический порядок должен исчезнуть. Это означает, что каждая молекула воды в жидком состоянии должна сохранить свои четыре водородные связи, но углы между ними будут отличаться от не по какому-то определенному закону, как в кристаллах, а случайно. По этой причине структуру случайной сетки невозможно установить рентгеноструктурным анализом. Значит, молекулярную структуру воды, то есть конкретное расположение всех её молекул, невозможно определить экспериментально. Таким образом, наиболее реалистичной картиной структуры воды является четырежды координированная сетка водородных связей. Как объяснить аномалии воды? Всякие изменения сетки при внешних воздействиях могут быть: 1) без изменения структуры (например, изменения длин связей); 2) с изменением структуры сетки (без изменения длин связей). Удлинение всех связей при увеличении температуры относится к изменениям первого рода и является общим для всех веществ, включая воду. Но в воде существенную роль играет и второй фактор. При низких температурах структура более упорядочена, то есть углы между водородными связями в сетке в меньшей степени отклоняются от тетраэдрического угла Т, поэтому она более ажурна (более рыхла, имеет меньшую плотность) и её труднее деформировать. При изменении температуры сетка перестраивается, меняет свою структуру. Происходит не только изменение углов между связями, но и изменение характера связности узлов сетки (молекул). Но если при низких температурах, в кристаллической фазе структура льда оставалась неизменной в конечном интервале температур и перестройка сетки происходила при переходе от одной структуры к другой дискретно, то в жидкости структура сетки водородных связей перестраивается при изменении температуры непрерывно.

II. 4. ОБЪЯСНЕНИЕ АНОМАЛИЙ ВОДЫ.

Знание процессов, происходящих при изменении температуры в структуре воды, позволяет объяснить происхождение многочисленных аномалий воды. Рассмотрим некоторые из них.

Аномалии плотности. Первая – резкое увеличение плотности при плавлении льда – связана с тем, что сетка водородных связей льда сильно искажается после плавления. В водной сетке углы между связями отклоняются от оптимальных тетраэдрических углов, в результате чего уменьшается объем пустого пространства между молекулами воды. Вторая определяется тепловой перестройкой структуры водной сетки. Чем ниже становится температура, тем ажурнее становится сетка, обусловливая уменьшение плотности при понижении температуры ниже 4оС. При высоких температурах перестройка структуры сетки уже мало влияет на плотность, поскольку сетка здесь сильно отличается от ажурной тетраэдрической конфигурации. Тогда наблюдается общее для всех веществ (нормальное) явление увеличения расстояний между частицами при нагревании.

Аномалия сжимаемости. Общая причина такого аномального поведения сжимаемости жидкости заключается в том, что при низких температурах сетка водородных связей воды ещё не очень искажена по сравнению с тетраэдрической конфигурацией. При изменении температуры имеет первостепенное значение перестройка структуры этой сетки, которая и определяет аномальный вклад в поведение воды при сжимаемости. При высоких температурах, когда водная сетка сильно деформирована, её перестройка оказывает меньшее влияние на наблюдаемое свойство и вода ведет себя, как обычные жидкости.

Аномалия теплоёмкости. Чтобы деформировать сетку при изменении температуры, перестроить её структуру, нужно затратить энергию; это и объясняет аномальный вклад в теплоёмкость. Изменение структуры сетки можно назвать изменением её конфигурации; поэтому аномальный вклад в теплоёмкость, который описывает затраты энергии на изменение структуры сетки (при изменении температуры на один градус), называют конфигурационной теплоёмкостью. Как следует из рис. 3. аномальный вклад в теплоёмкость не исчезает вплоть до 100оС (при обычном давлении) и его величина мало изменяется с температурой. Это означает, что сетка водородных связей в воде существует на всем интервале существования жидкости – от точки плавления до точки кипения: с ростом температуры водородные связи не разрываются, а постепенно изменяют свою конфигурацию.

III. РОЛЬ ВОДЫ В ОСВОЕНИИ И ЭКОНОМИЧЕСКОМ РАЗВИТИИ СЕВЕРОУРАЛЬСКОГО РАЙОНА.

III. 1. РЕКИ И РАЗВИТИЕ ГОРНОЗАВОДСКОГО ДЕЛА НА СЕВЕРНОМ УРАЛЕ.

К 1772 году южные, западные районы, расположенные от Верхотурского уезда были освоены. В них активно развивалась горнозаводская деятельность. Территория Пелымского уезда, включавшего нынешние Североуральский, Карпинский. Краснотурьинский, Ивдельский районы Свердловской области, оказались за пределами горнозаводской деятельности Верхотурского воеводства. Для приумножения богатств рудных государства Российского путем расширения горнозаводской деятельности на северные территории Верхотурским воеводством в Североуральские земли был направлен рудознатец и рудоискатель Г. Постников. Он был единственным исследователем Североуральских угодий в период с 1722 по 1755 гг. И только в 1778 г. горные инженеры-выпускники Горного училища детально исследовали и описали территорию между реками Тура, Вагран и Сосьва.

Результатом деятельности Г. Постникова явилось открытие железорудных месторождений Покровского рудного поля. Оно залегало в долине р. Колонги в 8-15 верстах от ее устья. А так же медно-скарновых руд по р. Турья, на базе которых М. Походяшин заложил Васильевский рудник и месторождение золота, залегающего по долинам рек Улс и Сурья.

Изучая «Слово о камениях земных», написанное Г. Постниковым 1722-1755 гг. можно с уверенностью сказать, что реки «помогали» рудознатцу открывать месторождения руд и поделочных камней.

Как-то летом в непогодье в Воскресенских угодьях,

Где в лесу ручей журчал, во корбе средь пней корча.

Глянь, под пьяною корчей светит мрамор белизной.

Рядом с мрамором лежит темный камень порфирит.

Вдоль контактов швы да щели, там же гротова пещера.

Во пещеру друг до дна из ручья ушла вода.

Дно обсохло, обнажилось: во пещере жила вскрылась.

В ней железо-магнетит, в магнетите медь куприт.

Желтым золотом блестит сетка жилок-паутин:

Будто рыбок да икринки ловят сетки-паутинки.

Для строительства железоделательного и медеплавильного производства в те времена были необходимы руда, вода и топливо. В качестве топлива на Урале использовали древесный уголь, благо недостатка с древесиной в лесу не возникало.

С этого времени начинается новая жизнь Северного Урала, в освоение которого, большую роль сыграли и реки.

Г. Постников и первые рудознатцы, которые закладывали первые шурфы и брали пробы для определения содержания в породе металла, обратили внимание на то, что вода, которая накапливается в шурфах, после их закладки затрудняла работы. Шурфы проходили методом замораживания. При вскрытии шурфом обводненных трещин проходку его останавливали и промораживали на 2-4 вершка в течение 1-2 суток. После чего работы по углублению его продолжались до вскрытия новых обводненных зон. В частности, методом замораживания был пройден шурф глубиной «4 сажен» в долине реки Бобровки, шурфы на Воскресенском месторождении медистых магнетитов.

О большой обводненности горных пород Г. Постников указывает и в своем «Сказании. »:

Токмо в рудах все не гладко - в них великая загадка:

Если выгнать из руды фунтов пять аль шесть воды,

То останется в ведре – пуд материи на дне.

Подземные воды преподносили рудознатцам и будущим горнякам не мало загадок, и одну из самых интересных Г. Постников наблюдал, описал, и высказал предположения о наличии руды.

«Во холодную погоду, сковавшую природу

По рукам и по ногам, шед по черным берегам.

Вдруг к двенадцатой версте дым парит как на костре

Подошедши, чудо вижу - из расселин жар сей дышит.

Серным мутным ручейком сусло в щели потекло.

Вдоль реки саженей двести земли вспучилися тестом;

Верный знак, что вдоль гряды груды сернистой руды

Во растерзанной горе залегают в глубине

Сажен этак шестьдесят ниже вспучившихся гряд».

Геологи 20 века высказывают свои предположения, объясняющее это явление. Загадочные события происходили в окрестностях привагранских угодий, расположенных в 12 верстах ниже зимовища Петропавловского. На рассматриваемой территории широкое распространение получили осадочные, вулканические горные породы. Эти отложения перекрываются пестроцветными глинами, суглинками, супесями. Гипсометрические отметки дневной поверхности рыхлых отложений на водоразделе возвышаются над уровнем р. Ваграна на 50-70 метров, а уровень подземных вод находится на 10-15 метров ниже дневной поверхности. По описанию Г. Постникова в год, в который он обнаружил дым с сернистыми испарениями, исходящими из расселин, был крайне маловодным:

По Ваграну ручеек – две сажени поперек,

Там, где омут был поглубже – рыба плещет в грязной луже.

В маловодный год запасы водоносного горизонта были истощены, что сопровождалось понижением подземных вод до уровня длины его р. Вагран, т. е. на 20-25 метров. В результате верхняя часть зоны полного насыщения мощностью 20-35 метров была осушена и трансформировалась в зону аэрации. В сформировавшейся зоне аэрации активизировались процессы окисления сернистых руд, что сопровождалось разогревом горных пород и самовозгоранием органических остатков. Это явление и обнаружил Г. Постников:

За уральскими горами, да Тобольскими долами

Потерял весной покой белый камень известной,

Что раскинул вдоль Ваграна скалы - теремы, да станы.

По Вагранским берегам разгорался шум-бедлам:

Вещий переток – Козьма, мутит берега со зла

Смертным боем в лоб и темя. Истерзавши бело тело,

Грызли черною водой камень белый известной.

Воды вешние все кроют – под водою берег роют,

Чтоб сыскать в пещерах с илом руды в красно-желтых жилах,

В своем сказании «Слово о камениях земных», Г. Постников очень точно называет причину образования пещер.

Пройдет чуть больше 200 лет и откроется проходчикам недр их удивительный мир созданный подземными водами. «Отпаливалась, рушилась грудь забоя, и люди удивленно смотрели перед собою: впереди открывались пещеры, обширные, как залы каких-то подземных замков. Свисали с темных сводов сталактиты. Огромные валуны громоздились на гладком полу – валуны, чужой для этих мест породы, принесенные водой неведомо откуда. Следы рек, обсохшие берега, их ясно отпечатывались на камне. И где-то внизу шумела, клокотала вода»

Разрушительная сила воды, которая создала русла рек, пещеры, в последствии станет «головной болью» горняков. Упорно работали геологи и строители, чтоб разгадать этот водный мир и управлять им.

По территории Североуральского района проходит полоса известняков, и на Северном Урале расположен четвертый карстовый район Свердловской области. Уральский хребет сбрасывает всю воду с вершины своего правого плеча на Североуральский бокситовый район. Реки и речки – Вагран, Сарайная, Калья, Черемушка, Ивдель вместе с притоками валились прямо на рудные поля. Эти реки соединялись с подземными реками. В рудном теле бушевали потоки, выбрасывались наружу.

На территории Североуральского района имеются крупные и мелкие пещеры. Самая известная среди них - Петропавловская. Петропавловская пещера в советский период развития нашей страны была объявлена экологическим памятником, достопримечательностью г. Североуральска.

Такие загадки загадывают воды нашего края. Г. Постников, М. Походяшин не могли даже представить себе, что одной из причин закрытия Петропавловского завода будет постоянна утечка воды из заводского пруда. А в 20 веке, при разработке бокситовых месторождений «большая вода», скрытая под землей изменит облик ландшафта Североуральского района.

III. 2. РЕКИ И ЛЮДИ.

До прихода русских на Северный Урал, этих местах проживали местные жители вогулы, знавшие свой край и жившие с ним в полной гармонии.

Местные жители любили и бережно обращались с реками и озерами. Есть в Переславском Заселье речка Сольба, что означает «солнечная вода». Соль - в ряде языков финно-угорской группы - «солнце». У нас достаточно распространено озвончение глухих согласных, поэтому здесь слог [ба] = [ва], то есть - «вода». Получается, что переславская Сольба и североуральская Сольва - означает «солнечная вода». Даже если посмотреть на карту, то почти на всём своём протяжении река Сольва течет на юг - на солнце. Кроме того, в этой речке было много солнечных камушков - платины. Выходит, что не случайно вогулы назвали эту речку именно так. Коренные народы были очень наблюдательны.

Село Петропавловское раскинулось на слиянии двух рек - Ваграна и Колонги. К этим речкам люди настолько привыкли, что мало кто обращал на них внимание, разве что, как на источники воды или рыбной ловли. Плавали на лодках и плотах, косили по берегам свои покосы. А между тем эти речки жили своей жизнью, и у каждой была своя удивительная судьба до тех пор, пока они не встретились, слились на крутом перекате и понеслись дальше, живя одним будущим! Словно какой-то мудрец, когда-то очень давно подсмотрел за ними, подслушал их шепот и, когда ему стало всё ясно и понятно - назвал их такими именами. Сильный и самоуверенный, быстро и шумно несущий своё холодное и смуглое тело Вагран. И тихая, неглубокая и прозрачная, тёплая и женственная Колонга. Он и Она.

Река Вагран (приток реки Сосьвы) - общая длина 137 км. В реке водятся лещ, плотва, щука, судак, таймень. Река нерестовая.

Река Сарайная. Как изменило время тихую, светлую речку Сарайную. Превратилась речка стараниями людей в канал. Выше сброса сточных вод отведена в реку Бобровку. Длина канала реки Сарайная 6,5 км, железобетонный канал длиной 4,26 км. Замерла жизнь в забетонированной реке-канале, но там, где оставил человек речке ее естественные берега жизнь существует и по-прежнему водятся здесь хариус, щука, окунь, лещ, плотва. Река нерестовая.

Река Черёмушка. Разработка месторождения боксита на шахте Черемуховская заставила людей одеть в бетонную рубашку эту речку с удивительным названием. Общая длина реки 11 км, железобетонный канал длиной 1,9 км. Длина водотока 6,8 км. Но та, где нет «рубашки» водятся плотва, окунь, налим.

Река Калья. Длина водотока 46 км. В реке обитают таймень, хариус, щука, окунь, лещ, плотва и др. Река нерестовая.

Мы как-то привыкли к тому, что поэтами и писателями разных лет описаны и воспеты великие русские реки – Волга, Дон, Енисей, Обь, Лена, Урал. Но вот «маленькие» реки и речушки, давшие начало новым поселениям первопроходцев удостоились права быть описанными и воспетыми их правнуками. Да и до стихов ли было им, людям не по своей воле оставившие родные дома, работавшим в каторжных условиях.

Люди двадцатого века сочинили не мало стихов о реках нашего края, любят проводить свободное время на их берегах, но материальные блага, экономические потребности, превратили воду рек в обычное технологическое сырье. И стал относиться к водам рек, как барин, хочу милую, хочу караю. Вот один из примеров такого двойственного отношения к нашим рекам и озерам.

Буран, ты вел меня не зря

На переката чистый говор:

Чистейший влаги родниковой

Полна глубокая Сурья.

III. 3. СЕВЕРОУРАЛЬСКИЙ БОКСИТОВЫЙ РУДНИК И ВЛИЯНИЕ ПОДЗЕМНЫХ ВОД НА ЕГО РАБОТУ.

Североуральский бокситовый рудник (Севуралбокситруда) сегодня – это крупное горное предприятие страны. Едва ли найдётся в стране другой такой рудник, переживший столь бурный рост, да ещё в сложнейших горногеологических и гидрогеологических условиях. Поэтому СУБР заслуженно называют первым среди равных.

Североуральские бокситовые месторождения являются образцом геосинклинальных бокситов, залегающих среди морских карбонатных толщ древнего палеозойского возраста.

Месторождения открыты в 1931 году геологом Н. А. Каржавиным. Они расположены на восточном склоне Урала у города Североуральска. Североуральский бокситовый бассейн простирается до 30 км в меридиональном направлении (от р. Вагран на юге до р. Сосьвы на севере). Имеет ширину 3-7 км и приурочен к закарстованным известнякам девонского возраста. Известные месторождения: «Красная Шапочка», Кальинское, Черемуховское и др. Здесь прослеживаются три основных бокситовых горизонта: субровский, богословский и устькальинский.

Субровский горизонт самый древний и перспективный. Он представлен в виде пластообразной залежи со средней мощностью 4-5м, падающей на восток под углом 20-30 градусов. Он литологически весьма неоднороден. Выделяются три подгоризонта: рудной брекчии, красных и зеленовато-серых (пестроцветных) бокситов. Рудная брекчия распространена не повсеместно и промышленного значения не имеет. Подгоризонт красных бокситов слагает центральную часть бокситового горизонта и служит основным объектом разработки. Он представлен красными, яшмовидными и плитняковыми бокситами. Месторождения разбиты многочисленными тектоническими нарушениями. Они достигают ширины 20-40м. Нередко они закарстованы и являются хорошими проводниками подземных вод в горные выработки.

Приуроченность рудных залежей к бассейну трещиноватых вод обуславливает не только высокую обводненность месторождений, но и благодаря неравномерному распределению фильтрационных свойств водовмещающих пород, опасность внезапных прорывов в горные выработки. Бокситовые месторождения разрабатываются более 70 лет, за эти годы произошло более 700 прорывов подземных вод с дебитом от 10 до 4-12тыс. м3/час. в подземные выработки. Основную роль в формировании подземного стока, поступающего в шахты, играет поверхностный сток и сток рек, поглощаемый карстовым массивом. Опасность затопления горных выработок вызвала необходимость ведения планомерной защиты действующих и проектируемых горных работ от обводнения подземными водами.

Присущая месторождениям большая обводненность в отдельных случаях является решающим фактором при выборе способа вскрытия, и даже целесообразности отработки месторождения. С учетом гидрологических условий в развитии строительства шахт на Североуральском бокситовом руднике выделяют несколько периодов.

Первый период характеризуется разработкой месторождений выше статического уровня карстовых вод (до глубины 30м).

Во второй период работы начали проводиться ниже уровня подземных вод: проходили наклонные стволы до глубины 250-300м с применением интенсивного водоотлива.

К третьему периоду относится вскрытие месторождений вертикальными шахтами до глубины 500м.

С 1972-1974гг. начинается четвертый период, включающий вскрытие новых горизонтов до глубины 1200м.

В условиях большой обводненности важную роль играет выбор места заложения стволов на участках незакарстованных пород. В среднем для обоснования гидрологических условий сооружения одного ствола на СУБРе требуется бурить 8-9 скважин.

В условиях бокситовых месторождений Северного Урала с большими трудностями связана не только проходка стволов, но и горизонтальных, горно-капитальных и подготовительных выработок, так как работы обычно ведут под большим напором подземных вод, достигающим 0,6-0,9 МПа. В среднем на каждый проходческий забой здесь пробуривается по 4 разведочных на воду скважин глубиной 30-35м и по 4 разведочных шпура глубиной 2,5-3,0м. Скважины бурят через каждые 25-30м, шпуры – перед началом буровзрывных работ. При проходке капитальных горных выработок в год пробуривается несколько десятков километров разведочных на воду скважин.

Устройство водонепроницаемых перемычек на горизонтах устраняет опасность затопления горных выработок из-за внезапных прорывов воды. Скопившуюся за перемычками воду постепенно пропускают через задвижки и откачивают водоотливными установками.

В приведенном примере в зоне сброса штреком была вскрыта вода с дебитом около 300 м3/ч. Однако путем откачки воды с регулированием ее выпуска через задвижки закрытой перемычки было достигнуто на участке снижение уровня подземных вод на 50-30м.

Ежегодно на шахтах СУБРа устанавливается более 20 водонепроницаемых перемычек со стальными герметически закрывающимися дверями.

На руднике накоплен большой опыт проходки стволов в обводненных условиях. В отдельных случаях притоки воды в капитальные горные выработки при их проведении на руднике достигают 2000 м3/ч. При вскрытии месторождений ниже уровня подземных вод до глубины 200-280м наклонными стволами успешно применялся «шагающий» метод.

«Шагающий» метод заключался в том, что из двух (трех) центрально расположенных стволов проходят один ствол до момента, когда притоки воды в забой достигнут 150-200м3/ч. При таком водопритоке ствол останавливают и начинают проходить соседний ствол. В остановленном стволе организуют мощный водоотлив. Соседний ствол проходят до такого же увеличения водопритоков. В ранее пройденном стволе приток резко уменьшается, что позволяет сделать следующий «шаг» проходки.

В широких масштабах применяется метод предварительного водопонижения. Впервые он был применен в 50-х годах при строительстве на руднике первой вертикальной шахты. Вокруг ствола прошли 8 водопонижающих скважин диаметром 500мм, глубиной в среднем 310м. Из стволов этих скважин для вскрытия карстовых полостей в околоствольном пространстве пробурили по 3-4 ответвления диаметром 250мм. Для гидравлической связи между шахтным стволом и водопонижающей системой пробурили 6 дополнительных дренажных скважин под будущим стволом, а в центре последнего пробурили скважину диаметром 93мм. Однако водоотдача основных водопонижающих скважин превышала подачу насосов, которыми они были оборудованы, и данная система не могла обеспечить необходимого осушения.

Предварительное водопонижение с помощью многоствольных скважин может дать положительный эффект при проходке стволов в породах со слабой водоотдачей. При этом целесообразно ответвления бурить из скважины, расположенной в стволе, что обеспечит отток воды из ствола в скважины, расположенные вокруг него.

В сложных гидрогеологических условиях применяют специальные способы проходки. В условиях больших водопритоков проходку ствола на одной из шахт осуществляли кессонным способом и с битумизацией пород.

Проходку скипового и клетьевого стволов одной из шахт осуществляли с применением цементации пород с глубин соответственно 100-90м. На этих глубинах была вскрыта напорная вода на участке сильно трещиноватых известняков. Мощность участка обводненных пород составляла 40м. Глубина цементационной первой заходки 16м, последующих – 12м.

С помощью цементации пройдено 40м скипового и 64м клетьевого стволов. Средний расход цемента на 1м ствола составил 4т, максимальный – 12т.

Большинство бокситовых месторождений, отрабатываемых подземным способом в России, Венгрии, Югославии, Франции, находятся в сложных гидрогеологических условиях. Отработка таких месторождений связана с необходимостью предварительного и последующего эксплуатационного осушения шахтного поля.

Ведение работ в обводненных условиях связано с большими затратами по откачке воды, в противном случае производительность труда снижается в 1,5-2 раза.

Высокая степень обводненности характерна для субровских месторождений: среднегодовой водоприток составляет 11-12 тыс. м3/ч, а максимальный среднемесячный - 13-14 тыс. м3/ч.

На обводненность СУБРа влияют статические и динамические запасы подземных вод. Статические запасы не превышают 10% общих запасов водоносного горизонта. В процессе осушения месторождений статические запасы иссякают, чему также способствует уменьшение закарстованности пород с глубиной. Динамические запасы (более 90%) подземных вод являются одной из причин, осложняющих освоение бокситовых месторождений Северного Урала. Среднегодовой объем водоотлива динамических ресурсов с понижением уровня подземных вод возрастает.

Основными источниками, восполняющими динамические запасы подземных вод, являются поверхностные воды речной сети, атмосферные осадки, приток трещинных вод из вулканогенно - пиропластических пород, окружающих карстовую зону.

Устранение притока воды в шахтах с русел рек, а также изоляция откачиваемых шахтных вод во избежание их вторичной инфильтрации в горные выработки достигаются путем строительства на поверхности каналов и сети железобетонных лотков.

В этом направлении на СУБРе проделан большой объем работ. Начиная с 1953г. для осушения месторождений начались общебассейновые водозащитные мероприятия по изоляции речного стока и за период с 1956г. по 1984г. р. Вагран и Калья с их притоками были взяты в каналы с водонепроницаемым покрытием, общей протяженностью 53,4 км Основой облицовки каналов служит железобетонная плитка толщиной 18 см. Плита армирована сеткой из круглой стали диаметром 10 мм, сверху покрытой торкрет-бетоном толщиной 3см на водонепроницаемом, расширяющемся цементе.

Для аккумуляции речного стока в случае разрушения облицовки и для регулирования стока в зимний период на руднике построено два водохранилища – Кальинское и Колонгинское.

Перечисленные мероприятия по осушению позволили уменьшить приток в горные выработки на 12-15тыс. м3/ч и в 2,3 раза повысить скорость осушения месторождений.

Атмосферные осадки, поглощающиеся на закарстованной территории шахтного водосбора, являются вторым по величине источником обводнения горных пород на СУБРе. Площадь общешахтного водосбора с развитием горных работ составит 360 км2. Водосборная площадь ежегодно увеличивается на 6-7км2, что вызывает увеличение шахтного водоотлива на 250-300 м3/ч. Эффективное мероприятие борьбы с этими источниками обводнения заключается в благоустройстве поверхности водосбора и организации поверхностного стока.

На СУБРе, где в горные выработки водоприток составляет 4000-5000 м3/ч (из разных источников), водоотлив действует по ступенчатой схеме. Стационарные насосные станции построены на глубине 340-350 м, с нижележащих горизонтов вода к стационарным установкам подается временными насосными станциями.

Эффективной защитой шахт от обводнения подземными потоками, формирующимися на площади водосбора, расположенной за пределами месторождения являются специально создаваемые дренажные узлы. Дренажные узлы состоят из вертикальных водопонижающих скважин.

Учитывая структурные особенности карстового массива и источники формирования шахтных водопритоков, на руднике были построены дренажные узлы водопонижающих скважин. Осушение шахтных полей производится 5-ю скважинными дренажными узлами и водоотливом из действующих шахт: на северном фланге – Черемуховский (ЧДУ), Сосьвинский (СДУ), Северо-Восточный (СВДУ); на южном фланге – Южный дренажный узел (ЮДУ), Новый Южный дренажный узел (НЮДУ). Цель строительства дренажных узлов - перехватить подземные воды, поступающие в горные выработки с обоих флангов, и осушить эксплутационные горизонты двух шахт.

Каждый дренажный узел состоит из 12 понижающих скважин, расположенных на расстоянии 40-60 м друг от друга. Глубина скважин 150- 350 м; глубокие скважины оборудованы фильтровальной колонной диаметром 426 мм, другие – диаметром 630 мм, что позволяло добурить последние скважины до глубины 350 м. Общая длина скважин составляет 5,5 км.

Дренажные узлы на глубине 180 – 320 м и более отделены от эксплуатационных выработок известняками с низкой водопроводимостью. Это позволяет перехватить подземные воды, формирующиеся за пределами месторождений, с меньшей глубины, чем из шахт.

Опыт эксплуатации дренажных узлов на СУБРе подтвердил эффективность скважинного водопонижения. Коэффициент использования водопонижающих скважин находился в пределах 09-1,0.

В настоящее время среднегодовой суммарный водоотлив составляет порядка 384 тыс. м3/сут. Из этой величины водоотлив шахт составляет 121 тыс. м3/сут. , водоотбор дренажных узлов – 260-280 тыс. м3/сут. Среднегодовая производительность водопонизительных скважин дренажных узлов в 1999, 2000, 2001 гг. составила соответственно 11744м3/час, 10922м 3/час, 11421м3/час.

Согласно заключенному договору пользования поверхностными водными объектами между Правительством Свердловской области и ОАО «Севуралбокситруда» СУБР имеет право пользоваться водным объектом в установленных лицензией пространственных границах и обязан :

Рационально использовать водный объект, соблюдать условия и требования, установленные в лицензии на водопользование.

Не допускать нарушения прав других водопользователей, а также нанесения вреда здоровью людей, окружающей природной среде.

Не допускать ухудшения качества водного объекта, предоставленного в пользование, среды обитания животного и растительного мира, а также нанесения ущерба хозяйственного и другим объектам.

Содержать в исправном состоянии очистные, гидротехнические и другие водохозяйственные сооружения и технические устройства.

Своевременно осуществлять мероприятия по предупреждению и устранению аварийных и других чрезвычайных ситуаций, влияющих на состояние водного объекта.

Вести с помощью измерительной аппаратуры учет забираемых, используемых и сбрасываемых вод и контролировать качество забираемых и сбрасываемых вод.

Осуществлять другие мероприятия по охране водного объекта, указанные в лицензии.

СУБР имеет лицензию на водопользование № 171 от 03 ноября 2000 года.

IV. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Вода объявлена минералом XXI века. Развитие экономики, размещение производства, здоровье населения земного шара будет и в дальнейшем определяться наличием и качеством пресной воды. Проведенные нами исследования показывают, что вода, это больше того, что обыватель может сказать о воде. Каждый из нас может сказать, что это жидкость, необходимая для поддержания жизни на Земле. Что она необходима для развития промышленности и сельского хозяйства, водного транспорта. Что вода имеет формулу H2O. Но не каждый знает, что вода это удивительное вещество. Его удивительные свойства, которые мы описали в своей работе, называют аномалиями.

Вода как удивительное свойство природы таит в себе не мало загадок, которые мы описали во второй части работы. Вода, как ни странно определяет промышленное освоение районов и создание новых населенных пунктов. Примером этому служит географическое положение села Петропавловского, ставшего в 1944 году городом Североуральск.

Вода, которая помогла возникнуть железоделательному заводу и исправно использовавшаяся в выплавке металла, в 20 веке, при освоении бокситовых месторождений, превратилась в грозную стихию, с которую человек вынужден был считаться и учиться усмирять ее крутой нрав, создав при этом совершенно новые технологии добычи боксита на СУБРе и гидротехнические сооружения.

Наша работа может быть использована на уроках географии, физики, химии и истории, спецкурсах и факультативах, тематических классных часах. Так же она может быть интересна широкому кругу учащихся, кто встретит нашу работу на полке школьной библиотеки.