Значительный вклад в разработку важнейших направлений гидрогеологической науки внес великий русский ученый М.В. Ломоносов. В своих работах он связывал вопрос происхождения подземных вод с количеством и просачиванием атмосферных осадков. Ломоносов М. В. рассматривал различные проницаемости горных пород по отношению к воде, рассуждал о процессах взаимодействия подземных вод с горными породами. Русский ученый-энциклопедист достаточно полно представлял условия формирования подземных вод, их взаимодействие с поверхностными и атмосферными водами, роль процессов взаимодействия подземных вод с минеральным веществом горной породы как с точки зрения формирования состава воды, так и переноса минеральных веществ подземными водами и др.

В XIX в. Продолжались научные споры о происхождении подземных вод, главным образом о роли процессов инфильтрационного питания и конденсации водяного пара (Л. Эли де Бомон, О. Фольгер, Е. Вольни и др.). В конце XIX в. вышли работы А. Добре (1887) и И. Газа (1885), которые могут рассматриваться в качестве первых учебников гидрогеологии, хотя сам термин «гидрогеология» в них не употребляется.

Первое математическое описание движения подземных вод (закон фильтрации) было дано французским инженером-гидравликом А. Дарси в 1856 г. на основании результатов экспериментального изучения фильтрации воды в лабораторных условиях.

Обоснование этого закона положило начало исследованиям в области теории движения подземных вод и фильтрационных расчетов. Дальнейшая разработка теории гидрогеологических расчетов осуществлялась Ж. Дюпюи (1857), А. Тимом (1887), Ч. Слихтером (1899) и уже в XX в. Ч. Тейсом, М. Маскетом и в работах русских ученых Н.Е. Жуковского, А.А. Краснопольского, Н.Н. Павловского и др.

Большой вклад в развитие гидрогеологии внес русский ученый С.Н. Никитин (1851–1909). В своих работах он рассматривал методику региональных исследований и гидрогеологического районирования. Также С.Н. Никитин обобщил обширные сведения по грунтовым и артезианским водам европейской части России, выделил ряд артезианских бассейнов этой территории (Всеволожский, 2007).

Исключительно важное значение для развития общих представлений о взаимодействии подземных вод с минеральным скелетом горных пород имели работы русского ученого-почвоведа А.Ф. Лебедева (1882–1936), который впервые установил закономерности перемещения влаги в ненасыщенной зоне, охарактеризовал роль процессов инфильтрации и конденсации в формировании подземных вод, а также разработал первую классификацию видов воды в горных породах.

Значительный интерес представляли результаты исследований кавказских минеральных вод, выполненных А.П. Герасимовым, А.Н. Огильви, Н.Н. Славяновым, первые сведения о подземных водах районов распространения вечной мерзлоты, изложенные в работе А.В. Львова (1916).

В первые годы советской власти начинают развиваться практически все основные направления гидрогеологической науки. В 1931 г. состоялся Всесоюзный гидрогеологический съезд, на котором были представлены работы по общим вопросам гидрогеологии (О.К. Ланге, А.Ф. Лебедев, Ф.П. Саваренский и др.); зональности грунтовых вод и принципам гидрогеологического районирования (П.И. Васильевский, В.С. Ильин, А.Н. Семихатов, Р.Н. Каменский, Н.И. Толстихин и др.); региональной гидрогеологии (К.И. Маков, Н.А Плотников, Н.Ф. Погребов, Н.С. Токарев).

Исключительно важное значение для развития ряда гидрогеологических идей имели работы академика В.И. Вернадского. Им был обоснован важный тезис о единстве природных вод Земли, рассмотрен ряд важных вопросов происхождения подземных вод и геологического круговорота воды. В.И. Вернадский охарактеризовал роль воды в геологических и геохимических процессах [1, 3, 4, 5].

Широкое осуществление глубокого поискового и разведочного бурения на нефть и газ определило необходимость развития гидрогеологических исследований, связанных с изучением глубоких водоносных горизонтов, прежде всего платформенных структур. Крупный вклад в развитие этого направления внесли советские ученые Г.В. Богомолов, М.А. Гатальский, Н.К. Игнатович, А.А. Карцев, В.А. Кротова, Б.Ф. Маврицкий, Е.В. Пиннекер, А.И. Силин-Бекчурин, С.Н. Смирнов, В.А. Сулин, А.Е. Ходьков, С.А. Шагаянц.

1.2 Зона аэрации

Строение подземной части гидросферы, количество воды, содержащееся в горных породах, и ее фазовое состояние в более широком смысле – распределение и движение различной воды определяются термодинамическими условиями разреза земной коры, строением и историей геологического развития ее основных структурных элементов, составом и свойствами (типом) горных пород и в верхней части разреза в значительной мере рельефом и гидрографией современной поверхности, а также климатическими условиями конкретных территорий [5, 6].

Обобщенный гидрогеологический разрез земной коры, характеризующий условия залегания подземных вод и принципиальную схему их движения, приведен на рисунке 1.

Рис. 1. Принципиальный гидрогеологический разрез земной коры:

1 – осадочные породы земной коры; 2 – гранитный и базальтовый слой земной коры; 3 – верхняя мантия; 4 – зоны глубоких тектонических разломов; 5 – зона аэрации (вне масштаба); 6 – криолитозона; 7 – зона полного насыщения; 8 – зона подземных вод в надкритическом состоянии; 9 – нижняя граница зоны аэрации; 10 – подошва осадочных пород; 11 – нижняя граница зоны полного насыщения; 12 – граница Мохоровичича; 13 – направления движения «местных» потоков подземных вод; 14 – региональных потоков; 15 – глубинных субвертикальных потоков; 16 – возможное поступление ювенильных растворов; 17 – инфильтрационное питание; 18 – испарение грунтовых вод; 19 – захоронение морской воды с осадками и отжатие поровых вод

В соответствии с существующими представлениями (О. Мейнцер, Е.В. Пиннекер, Ф.П. Саваренский, А.М. Свешников и др.) в гидрогеологическом разрезе земной коры сверху вниз от поверхности земли могут быть выделены: зона аэрации, криолитозона, зона насыщения и зона подземных вод в надкритическом состоянии [1,6].

Понятие «зоны аэрации» было введено американским гидрогеологом О. Мейнцером (1933г.) и представляет собой верхнюю не полностью насыщенную (ненасыщенную) водой часть разреза горных пород, мощность которой изменяется от первых сантиметров (метров) на равнинных участках территории до 200-250 м и более на интенсивно расчлененных междуречных пространствах горных районов. Верхней границей зоны аэрации является поверхность земли, нижней – уровень подземных вод первого водоносного горизонта.

Рис. 2 Схема залегания типов подземных вод зоны аэрации:

1 – породы зоны аэрации, 2 – грунтового водоносного горизонта,

3 – слабопроницаемые породы, 4 – почвенный слой,

5 – уровень грунтовых вод и капиллярная кайма, 6 – верховодка

По М.П. Толстому определение зоны аэрации можно сформулировать так – это поверхностный пояс в разрезе земной коры, находящий на стыке атмо-, гидро- и литосфер, лежащий выше постоянного уровня подземных вод.