Строение подземной гидросферы

 

В средние века в Европе все же преобладали античные идеи о морском происхождении подземных  вод. Поэтому француз П. Перро, доказавший путем измерений происхождение  подземных вод из атмосферных  осадков, боясь непонимания, свою книгу  «Происхождение источников» опубликовал  в 1674 г. под чужим именем. С этого  момента начиналось развитие науки  о подземных водах. А имя этой науке дал Ж. Ламарк (1744 — 1829) —  французский естествоиспытатель, издавший в 1802 г. книгу «Гидрогеология, или  исследование влияния воды на поверхность  земного шара».

 

Подземные воды исследовали  многие российские гидрогеологи. В 1886 г. в России появилась первая официальная  должность гидрогеолога, учрежденная  Таврическим губернским земством, которую  занял Н. А. Головкинский (1834 — 1897) —  специалист по подземным водам Причерноморья.

 

В 1902 г. австрийским геологом Э. Зюссом была предложена гипотеза ювенильного  происхождения подземных вод (ювенильные воды) за счет процессов синтеза  водорода и кислорода в магматических  расплавах (мантийное происхождение  подземных вод).

 

В 1902–1908 гг. Н.И. Андрусовым, Г. Гефером и А.Ч. Лейном независимо друг от друга предложена гипотеза седиментогенного происхождения подземных  вод за счет «захоронения» морских  вод при процессах образования  донных осадков и их последующего «отжатия» при уплотнении [1, 3].

 

Во второй половине XX в. в  России вышли фундаментальные труды  по гидрогеологии: «Гидрологическая энциклопедия»  и 50-томный труд «Гидрогеология СССР», а также подготовлена гидрогеологическая карта мира. Гидрогеология превратилась из учения о подземных водах в  науку о подземной гидросфере [8].

 

 

3.2 Типы подземных вод

 

 

В настоящее время выделяют по происхождению следующие типы подземных вод:

 

1) инфильтрационные, образующиеся  от просачивания в породы атмосферных  и поверхностных вод;

 

2) конденсационные, возникшие  при конденсации водяных паров  атмосферного и почвенного воздуха;

 

3) седиментационно-диагенетические  морские воды, оставшиеся в морских  иловых осадках и проникшие  в толщи пород, как во время  стадии диагенеза, так и позднее  (Н.И. Андрусов, В.И. Вернадский, Г.Н.  Каменский);

 

4) магматические (эндогенные) воды (Э. Зюсс)

 

Нередко в природе подземные  воды образуются смешанным путем, что  подтверждается химическим и газовым  составом вод, их режимом и данными  пьезометрических напоров. Воды смешанного происхождения – самые распространенные.

 

В настоящее время большинство  исследователей полагают, что выделение  вод и газов из верхней мантии происходило в процессе разогревания Земли на ранних стадиях ее формирования. Это и дало начало зарождению гидросферы и атмосферы.

 

История и эволюция этих оболочек весьма сложна и трактуется учеными  неоднозначно. Состав первичных атмо- и гидросфер земной коры изменялся  в течение геологического времени. Из магмы вследствие интенсивной  вулканической деятельности поступали  водные пары и газы. Полагают, однако, что эти поступления были незначительны [2, 4].

 

Для дальнейшего развития представлений о преобразовании и формировании вод большое значение имел постулат академика В.И. Вернадского, выраженный в системе породы→природная вода→газ→живое вещество (биомасса), показывающей единство подземных вод  в атмо-, гидро- и литосферах.

 

В сложном процессе происхождения  вод следует различать:

 

1)образование молекул  воды;

 

2) накопление связанных  и свободных вод;

 

3) формирование химического  состава

 

Накопление подземных  вод можно представить как  кратковременный динамический процесс  – процесс возникновения вод  под действием сил тяжести, капиллярных  и молекулярных сил вблизи поверхности  земли: так, например, во время паводков речные воды просачиваются в аллювиальные отложения и идут на питание грунтовых  вод, вызывая подъем их поверхности. В итоге образуются пресные воды.

 

При мелиорациях – во время  промывок почв – возникает слой пресных вод, плавающих на соленых, при растворении пластов и  штоков соли – соленые и рассольные воды. Накопление вод может происходить  и другими путями.

 

Формирование химического  состава подземных вод есть длительный физико-химический процесс преобразования подземных вод, происходящий на различных  глубинах при неодинаковых температурах и давлении, испарении и конденсации, катионном обмене – адсорбции  между водами и породами. Процесс  сопровождается рядом этапов: выдавливанием  вод при уплотнении илов, позднее  и пород, деятельностью бактерий, диффузией, перетеканием и разгрузкой вод через глинистые перекрытия.

 

Г.Н. Каменским было выделено три основных генетических цикла  формирования:

 

1) инфильтрационный –  континентальный, обусловленный  инфильтрацией атмосферных осадков  и связанный с процессами выветривания;

 

2) морской, или осадочный  (иначе говоря, седиментационно-диагенетический), обусловленный проникновением морских  вод в толщи пород в процессе  осадкообразования, процессами изменения  осадков и видоизменения заключенных  в них вод;

 

3) метаморфический и магматический  циклыя заключенных в них вод; 3) метаморфический и магматический  цикл, обизменения осадков и видоизменльностью  бактерий, диффузией, , обусловленные метаморфизмом горных пород и магматическими процессами, протекающими в коре [2, 6, 8].

 

Следует отметить, что выделение  общего цикла правомерно лишь для  их совместного действия, но могут  быть циклы и раздельные, например метаморфический, в условиях воздействия  регионального метаморфизма.

 

3.3 Инфильтрационные и  конденсационные подземные воды

 

В зоне аэрации происходят весьма важные процессы:

 

1) инфильтрация атмосферных  осадков и поверхностных вод;

 

2) передвижение влаги и  почвенных растворов;

 

3) внутригрунтовое испарение  и внутригрунтовая конденсация,  ледотаяние;

 

4) при наличии растительного  покрова – транспирация влаги  растениями;

 

5) микробиологические процессы;

 

6) смешение вод

 

Факт инфильтрации подтверждается анализом режима подземных вод, тесной связью химического состава атмосферных  осадков с составом подземных  вод, наблюдениями за потерями вод из оросительных каналов, водохранилищ, за притоком воды в подземные выработки, лизиметрическими измерениями.

 

Гидрогеологи считают, что  примерно от 10 до 30% от общего количества атмосферных осадков идет на возобновление  запасов подземных вод. Они накапливаются  в основном на небольших глубинах в рыхлых отложениях, либо в породах, хорошо отмытых от хлоридов морского солевого комплекса [3,4].

 

Конденсационные воды. Пополнение подземных вод происходит и другими  путями. Так, многие исследователи ( Н.А. Головкинский, А.Ф. Лебедев, П.И. Колосков) занимались вопросами конденсации  паров. Однако количественная характеристика этого процесса продолжает оставаться не совсем ясной.

 

А.Ф. Лебедев экспериментально доказал зависимость поведения  жидкой влаги от действия сил тяжести, капиллярных и молекулярных сил. По его мнению, процессы конденсации  играют известную роль в образовании  первых от поверхности горизонтов. П.И. Колосков выдвинул теорию гигроскопического  поглощения (сорбции) породами пород  атмосферы.

 

Исследователи, работавшие в  пустынях Средней Азии, указывают, что  питание грунтовых вод на большей  части площади пустынь не может  происходить ни за счет подтока подземных  вод со стороны, от предгорьев, ни за счет просачивания атмосферных осадков. По их мнению, возможным источником питания грунтовых вод может  являться только влага, образующаяся за счет конденсации. Так, в пустынях наиболее высокие отметки уровня подземных  вод наблюдаются не под возвышенностями, а под их склонами, что, видимо, объясняется  тем, что наибольшее накопление влаги  конденсационным путем происходит при определенной мощности приповерхностной толщи.

 

В приаральских и прикаспийских  полупустынях, по-видимому, происходит внутригрунтовое испарение: пресные  линзовые воды на песчаных островах возникают  в этом случае не за счет конденсации  атмосферной влаги, а за счет испарения  соленой воды.

 

Во многих засушливых районах  степей и полупустынь грунтовые  воды накапливаются под влиянием интенсивного испарения и процессов  взаимодействия с засоленными почвами, что обусловливает процессы рассоления и засоления последних.

 

 

3.4 Седиментационные подземные  воды

 

 

В условиях, когда нет современного питания вод, а изучение геологической  истории указывает на отсутствие континентальных периодов и соответственно с этим «полных циклов водообмена»  – возможность инфильтрационного  происхождения вод отпадает. Очевидно, накопление и формирование подземных  вод в этом случае осуществляется иными путями. По составу это соленые  и рассольные бессульфатные воды с сухим остатком от 10 и до 250-350 г/л, для них характерно большое содержание хлоридов, кальция, брома, йода, бора, лития, стронция, рубидия, органических веществ, газов биохимического происхождения. Обычно эти воды называют хлоридными [2,6, 8].

 

Формирование соленых  и рассольных вод генетически  связывается с нормальными морскими водами или в различной степени  засоленными осадочными породами в  зонах затрудненного и крайне затрудненного водообмена. Воды в  большинстве подобных случаев являются в той или иной мере метаморфизованными водами морского генезиса. Накапливание морских вод происходит в глубоких частях закрытых бассейнов, в отложениях, обогащенных органическим веществом, обычно в связи с соленосными (И.К. Зайцев), битуминозными, нефтеносными и угленосными породами.

 

Формирование химического  состава вод происходит в богатых  органическим веществом илах на дне  водных бассейнов, в итоге чего образуются новые виды вод с более повышенной минерализацией, йодом, бромом, отсутствием  сульфатов.

 

В процессе дальнейшего преобразования осадочных пород эти воды в  течение длительной геологической  истории под влиянием окружающей среды испытывают постседиментационные изменения (доломитизация известняков, альбитизация плагиоклазов) и меняют свой химический облик. При частых и  продолжительных континентальных  перерывах воды седиментации удаляются  из осадочных пород, обновляясь или  полностью замещаясь вадозными  и морскими водами, уже более молодыми по возрасту.

 

Установлено, что в осадочных  породах содержится значительное количество связанной воды – в среднем  около 4,3%, что сопоставимо с содержанием  ее в оксиде кальция (5,5%) и оксиде железа (3,4%).

 

Весьма велико содержание воды (60-99,7% по массе) и в телах  животных и растительных организмов, обитающих в придонных илах. После  гибели животных и растительных организмов часть содержавшейся в них  воды уходит: другая часть захватывается  морскими осадками, что подтверждено специальными физико-химическими исследованиями современных илов некоторых морей (Черного, Каспийского). В дальнейшем воды переходят в породы и при  благоприятных геологических обстановках (отсутствие континентальных перерывов) длительное время в них сохраняются [2, 5,8].

 

Экспериментальными работами установлено, что с глубиной залегания  происходит уплотнение осадочных пород  и уменьшение их пористости. Под  влиянием геостатической нагрузки осуществляется отжатие и выделение свободной  воды. Кроме того, при эксплуатации артезианских вод происходит расширение вод и пород – образуется так  называемая упругая система. Пористость пород возрастает не только с глубиной, но и с увеличением их возраста: так, пористость глинистых пород кайнозоя 50%, мезозоя – 34%, палеозоя уже не более – 10%, молодые, только что отложившиеся донные осадки (илы), являются очень рыхлыми, с пористостью 80-90%, и содержат много воды.

 

Уменьшение пористости с  глубиной позволяет ориентировочно определить объем воды, выдавливаемой  из пород под влиянием геостатической нагрузки. Так, А.А. Алексин выражает этот объем цифрой порядка около 1 млн. км³ и полагает, что за 300 млн. лет, прошедших со времени среднего девона, эта цифра может быть приравнена к расходу родника в 100 л/с. При  процессах уплотнения, происходящих при седиментационных циклах в масштабах  геологической истории, большое  количество выжимаемых связанных вод  из глин переходит в свободное  состояние и циркулирует в  пластах песков.

 

Таким образом, очевидно, что  пути накопления седиментационных вод  весьма многообразны, это: 1) иловые воды, отжатые из свежих илов в раннюю стадию диагенеза при их уплотнении; 2) воды животных и растительных организмов, выделяющиеся при их разложении; 3) постседиментационные воды, выдавливаемые при уплотнении уже затвердевших пород, главным  образом глин и глинистых сланцев.

 

Все перечисленные воды сохраняются  в осадочных породах длительное геологическое время и влияют на засоление почв и грунтовых  вод.

 

 

 

3.5 Магматические и смешанные  подземные воды

 

 

 

В магматических очагах содержится значительное количество воды, но сколько  ее достигает поверхности земли  при вулканических извержениях, учесть трудно. Геохимики считают, что  содержания ее в магмах колеблются от 0,5 до 8,01%.

 

В настоящее время имеются  попытки реставрировать в какой-то мере гипотезу ювенильных вод Э. Зюсса  аргументацией на то, что в современной  гидросфере имеется избыточное количество хлора по сравнению с щелочами, что нельзя объяснить химической денудацией континентов, следовательно  – хлор эндогенного происхождения. Полагают, что хлор и некоторые  летучие компоненты брома и йода накапливаются в результате повсеместного и непрерывного диффузионного проникновения летучих компонентов из верхней мантии через толщу коры, в частности из магмы [2].

 

Так, например, в лавах  Камчатки содержание воды составляет от 0,1 до 5,5%, а состав углекислых и  термальных вод крайне разнообразен: в ионах обнаружены железо, мышьяк, марганец, медь, алюминий, цинк, большое  количество сульфидов, кремнекислоты. Однако роль эндогенных (ювенильных) вод  в формировании термальных вод молодой  вулканической области Камчатки пока невыяснена. В целом современная  гидрогеология не располагает необходимыми данными для того, чтобы оценить  количественную роль магматических  вод в гидросфере.