Подземная гидросфера - Евгений Викторович Пиннекер

В каждой науке есть разделы, вокруг которых идут постоянные споры. Для гидрогеологии это прежде всего комплекс вопросов, касающихся формирования подземной гидросферы. Вот некоторые иа них: как появилась вода в Земле? по каким законам она там движется? как диагностировать первоисточники подземных вод? сколько времени они находятся в земных недрах? Мы уже знаем, что разрешить их пытались давно. Тем не менее до сих пор нет однозначного ответа, который бы не вызвал возражений оппонентов.

«Всякий раз, когда имеешь дело с водой, прежде всего обратись к опыту, а потом уже рассуждай» — эти слова были сказаны великим естествоиспытателем, художником и мыслителем Леонардо да Винчи. Сохраняют они свою силу и в наши дни. Отсутствие представительной информации является главной причиной существования множества различных концепций происхождения и движения внутриземных вод. На сей счет даже шутят: «Два гидрогеолога — три мнения».

Широко используемый традиционный термин «подземные воды» менее точен, чем только что приведенное сочетание «внутриземные воды». Об этом уместно сказать сейчас, поскольку термин «подземные воды» имеет прямое отношение к родословной воды: он восходит к взглядам древнегреческого философа Платона, согласно которым Земля будто бы плавает на воде, заполняющей огромный подземный резервуар Тартар; воду вгоняют туда ветры из моря или же она просачивается через почву. Бездна Тартар, полная вечной тьмы, как полагал Платон, питает источники и реки. В значительной мере на допущениях основывались и более поздние представления о появлении воды в недрах Земли (Аристотель, Сенека, А. Кирхер), хотя они и отвергали идею Тартара.

Попытки заменить укоренившийся термин «подземные воды» на более точные эквиваленты («внутриземные воды», «подпочвенные воды», «воды литосферы» и т. д.), к сожалению, успеха не имели. Традиция есть традиция!

В последние годы удалось «просветить» подземную гидросферу. Исследователи стали располагать, в частности, информацией о возникновении гидросферы и законах движения воды в земной коре.

Возникновение гидросферы неразрывно связано с развитием Земли как планеты. Вода появилась одновременно с горными породами 4–5 миллиардов лет назад. Советский геохимик академик А. П. Виноградов, объясняя механизм появления воды, сравнивал его с зонной плавкой, применяемой в технике для разделения металлов различного удельного веса. Подобная выплавка, по его мнению, происходила в результате разогревания вещества мантии и разделения его на две фазы: тугоплавкую — дуниты и легкоплавкую — базальты. В ходе процесса к периферии Земли устремились флюиды — наиболее летучие компоненты базальтовой магмы, из которых и образовалась вода.

Точка зрения Виноградова основывается на общепринятой в космогонии гипотезе образования нашей планеты из рассеянного космического вещества с последующим постепенным разогревом первоначально холодной Земли и обособлением в ее наружной части сферических оболочек, одной из которых и является гидросфера. Однако есть и другие взгляды: согласно им гидросфера образовалась на поверхности изначально горячей Земли при конденсации космического вещества. В таком случае она должна иметь космическое, а не внутриземное происхождение. Эту концепцию разделяет ряд исследователей (В. М. Гольдшмидт, В. И. Ферронский и другие), хотя широкого признания она не получила.

Итак, принято считать, что мантия — первоисточник воды на Земле. В пей содержится, как правило, пе вода, а водород, который способен при соединении с кислородом образовывать воду. Сгенерированная из кислорода и водорода в недрах Земли вода называется ювенильной. Потенциальные водные ресурсы мантии составляют 20×1018 тонн. В соответствии с расчетами, на образование гидросферы пошло 3,4×1018 тонн воды, из которых 1×1018 тонн распалось на кислород и водород или улетучилось в космическое пространство, а 2,4×1018 тонн (и это согласуется с данными табл. 3) осталось в гидросфере. Если соотнести массу выделившейся воды и вес земной коры (он равен 47×1018 тонн), то получится, что выплавленные мантией породы должны были содержать 7 % воды. Примерно такое же количество водяного пара выделяют продукты современных вулканических извержений, то есть эта цифра может считаться своего рода константой для подземной гидросферы.

В небольшом количестве вода на Землю попадала и попадает из космоса. Однако по сравнению с мантией из этого источника поступило воды на четыре порядка меньше, буквально «капля в океане». Гораздо больше воды Земля теряет в космос. Фактически мантия — главный источник воды на Земле.

Подземная гидросфера — в ней вода в значительной мере связывалась породами — стала формироваться раньше наземной. Только порции поднимающейся воды, которые достигали поверхности Земли, положили начало Мировому океану.

Основная часть воды из мантии, по-видимому, выброшена в течение первого миллиарда лет геологической истории. Вначале выделялись восстановленные флюиды, среди которых преобладали водород и водородные соединения. Наиболее вероятный механизм образования Н2О — окисление водорода при его взаимодействии с силикатами, окислами и вообще кислородсодержащими породами.

Увеличение количества воды привело к изменению строения земной коры, например к образованию гранитного и осадочного слоев, становлению Мирового океана, появлению атмосферы. Изменился и состав флюида — он стал окисленным.

Если в архее, то есть 2 и более миллиарда лет тому назад, вода из мантии «просачивалась» равномерно сквозь земную кору, участвуя в ее преобразовании, то в последующее время восходящий поток все больше приурочивался к ослабленным зонам — разломам и интрузиям. Полтора миллиарда лет назад, на рубеже архея и протерозоя, породы благодаря воздействию воды достигли близкой к современной плотности, сочетающейся с хрупкостью. Кроме ювенильных вод вес большее значение в верхних горизонтах стали приобретать так называемые вадозные (дословно «блуждающие») воды, которые обязаны своим появлением процессам осадконакопления в морских бассейнах, инфильтрации и регулярному круговороту воды в природе. Объем высвобождаемой воды в послеархейское время заметно снизился. Скорее всего, уже в протерозое он не превышал количества ювенильных вод, поступающих из недр в настоящее время, то есть 0,1–1,0 кубических километров в год.

Облик подземной гидросферы создавался постепенно. О составе первичного водного раствора известно мало. Тем не менее есть основания полагать, что в нем было гораздо больше углерода и некоторых металлов, чем в современном Мировом океане. Количество хлора и брома не изменилось, а вот содержание сульфатов резко возросло. Сущность изменения заключалась в сохранении солей с повышенной растворимостью и удалении элементов, переходящих в труднорастворимые соединения.

На эволюцию состава подземных вод большое влияние оказал Мирбвой океан. При наступлениях и отступлениях моря очень много солей морской воды оставалось в породах. Недаром некоторые исследователи, в том числе известные советские ученые В. А. Сулин и Е. В. Посохов, высокую минерализацию и специфический хлоридный кальциевый состав рассолов глубоких горизонтов бассейнов пластовых вод считают наследием прошлых геологических эпох, когда в морской воде кальций доминировал над натрием. В свою очередь, подземный и поверхностный сток выносили в Мировой океан не меньше солей. Так начал