Подземная гидросфера - Евгений Викторович Пиннекер

безграничный, темный Хаос. С него все началось, в том числе произошла и богиня Земли — Гея. Широко раскинулась она, могучая, дающая жизнь всему, что находится на Земле. Гея породила голубое Небо — бога Урана, который воцарился в мире.

Уран — дед Зевса — был у древних греков олицетворением начала, наделяющего Землю теплом и влагой, посредством которых пробуждаются творческие силы Земли.

Так все возвращается на «круги своя». Во второй половине XX века на новой фактологической основе подтвердилась казавшаяся наивной легенда древних греков относительно роли незаслуженно забытого бога Урана. Ему, то есть проникшим сверху экзогенным водам, принадлежит ведущая роль в геологических процессах, а ресурсы подземных вод, как мы видели, даже в царстве Плутона в значительной мере сформированы за счет вод метеорного происхождения.

И если уж мыслить мифическими категориями, то мы должны вспомнить богиню ключевой воды и источников. Была, оказывается, у древних римлян и такая. Звали ее Венилия, она была женой Нептуна.

Зональность подземной гидросферы. Одна из основных закономерностей, характерных для Земли, — зональность. Она проявляется, например, в ее сферическом строении. Гидросфера — одна из таких оболочек. Четкая зональность наблюдается в подземной гидросфере и характерна для подземных вод.

Синтез знаний о строении земной коры и мантии позволяет дать общую схему изменения фазового (лед — вода — пар) состояния Н2О по мере углубления в земные недра. В соответствии с представлениями гидрогеологов из Геологического института АН СССР (Ф. А. Макаренко, В. И. Кононов и другие) подземная гидросфера состоит из следующих слоев, представляющих собой гидрофизические зоны:

слой «твердой» воды — ограничивается гидроизотермой фазового перехода «лед — вода» и имеет мощность до километра или несколько больше;

слой «жидких структурированных» вод — заключен между изотермами фазовых переходов «лед — вода» и «вода— пар»? охватывает 80 % земной коры. Температура достигает 450°, а давление 25 кбар. Мощность изменяется от 30 (области докембрийской складчатости) до 8 километров (островные дуги). В областях современного вулканизма нижняя граница этого слоя может располагаться на меньших глубинах; и

слой уплотненного флюида — располагается между изотермами 450 и 700°. Здесь водородные связи непрочны и молекулы воды становятся свободными. Благодаря высоким давлениям (до 50 кбар), флюид находится в уплотненном состоянии. Мощность 3–80 километров, а максимальная глубина достигает 160 километров, но под островными дугами не превышает 11 километров.

Рассмотренная зональность верна для свободных вод. Формы существования физически и химически связанных вод также определяются термодинамическими параметрами. С глубиной количество связанных вод уменьшается, и уже в слое уплотненного флюида они полностью переходят в свободное состояние, за исключением некоторой части кристаллизационных и конституционных вод, удерживаемых до температуры 700– 1000 °C.

Подземные воды принадлежат слою жидких «структурированных» вод, который по особенностям воздействия на него физико-географических, геологоструктурных и термодинамических условий весьма разнороден.

Для подземных вод характерно обособление естественно-исторических зон в зависимости от широты местности и абсолютной отметки залегания. Поэтому различают: широтную (климатическую) зональность, присущую главным образом подземным водам приповерхностной части, и вертикальную (геологическую) зональность, которая прослеживается сверху вплоть до глубоких горизонтов подземных вод. Вертикальная зональность может быть глубинной — в бассейнах пластовых вод или высотной — в массивах трещинных вод.

Не касаясь широтной зональности, которая зависит исключительно от географической широты местности, сосредоточим внимание на вертикальной зональности — закономерности, определяющей особенности размещения цодземных вод в земной коре.

С поверхности вглубь Земли уменьшаются трещиноватость и пористость горных пород, что отчетливо сказывается на скорости движения подземных вод и интенсивности возобновления их ресурсов. Изменяются также степень минерализации, ионно-солевой и газовый состав, температура подземных вод. На эту закономерность первым обратил внимание В. И. Вернадский, а систематизация сведений о таких изменениях позволила советским гидрогеологам Н. К. Игнатовичу, Б. Л. Личкову и Ф. А. Макаренко создать учение о вертикальной гидрогеологической зональности. Рассмотрим зональность бассейнов пластовых вод, на примере которых вертикальные изменения видны значительно лучше, чем в резервуарах трещинных вод.

По гидрогеодинамическим особенностям в бассейнах пластовых вод различают следующие вертикальные зоны: интенсивного (активного) водообмена, глубина которой достигает 0,3–0,5 километра и отвечает региональному эрозионному врезу; для нее характерны наиболее высокие скорости движения подземных вод (средний темп возобновления ресурсов оценивается годами и столетиями) и тесная связь с поверхностными водами;

затрудненного (замедленного) водообмена, находящаяся ниже базисов дренирования, где вследствие уменьшающейся трещиноватости и пористости пород скорости движения понижены (темп водообмена — десятки и сотни тысяч лет) и связь с поверхностными водами затруднена;

весьма затрудненного (пассивного) водообмена, располагающаяся в наиболее глубоких частях впадин (глубже 1,5–2 километров) и отличающаяся возобновлением ресурсов подземных вод в масштабе геологического времени (темп водообмена — миллионы лет).

Отсюда вывод: крупные скопления подземных вод надо ожидать на сравнительно небольших глубинах в зоне интенсивного водообмена, то есть преимущественно среди крупнозернистых, обломочных или трещиноватых пород.

По степени минерализации и ионно-солевому составу подземных вод в вертикальном разрезе земной коры различаются три гидрогеохимические зоны:

верхняя — пресных вод (минерализация менее 1 грамма на литр) мощностью обычно 0,3–0,6 километра и с преобладанием в составе вод гидрокарбонат-иона;

промежуточная — соленых вод (с минерализацией 1– 35 граммов на литр), в составе которых часто доминирует сульфат-ион; и

нижняя — рассолов высокой минерализации (более 35 граммов на литр) преимущественного хлоридного состава.

Пригодные в качественном отношении для целей водоснабжения питьевые пресные воды, таким образом, располагаются в верхней части разреза, а глубже они сменяются минерализованными водами.

С глубиной меняется и газовый состав подземных вод: газы воздушного происхождения (кислородно-азотные) постепенно заменяются газами глубинной обстановки, в которой могут формироваться скопления углеводородов. Что же касается температуры, то она по вертикали возрастает: в глубоких горизонтах крупных артезианских бассейнов и областях активного вулканизма температура подземных вод значительно превышает 100 °C. В этом же направлении изменяются содержание и формы существования живого вещества в подземной гидросфере.

Нет правил без исключения. В вертикальной зональности подземных вод они также есть и называются аномалиями. Аномалии нарушают общую закономерность, будучи связаны с различного рода отклонениями: в фильтрационных свойствах пород, наличием источника растворенных веществ или водовыводящего разлома. Гидрогеологические аномалии часто представляют месторождения пресных или минеральных вод.

Природу вертикальной зональности подземных вод долгое время не удавалось выяснить. Назывались многие причины. Попытки связать ее, например, с гравитационными силами Земли не имели успеха: этим можно объяснить особенности, но не все виды зональности в целом.

Направленность у перечисленных видов зональности одинакова — смена поверхностных условий глубинными. Поэтому причины, ее вызывающие, должны заключать в себе совокупность природных факторов и отражать противоборство разнонаправленных тенденций. На это мог обратить внимание ученый, мыслящий оригинально, масштабно и диалектически. Такой была недавно скончавшаяся доктор геолого-минералогических наук В. А. Кротова, успешно