Подземная гидросфера - Евгений Викторович Пиннекер

в «готовом» виде (из атмосферы, океанов и морей, за счет летучих компонентов магмы), или в результате сложного обмена с породами и минералами, газами и живым веществом. Состав подземной гидросферы постоянно изменяется. Миграция, то есть концентрирование или рассеяние, представляет итог различных форм движения, которые приводят к преобразованиям внутри упомянутой уже равновесной системы Вернадского и, по существу, описывается этой «формулой».

Формирование состава подземных вод долгое время не находило обобщающей формулы, которая бы всесторонне раскрывала его закономерности. Исследователи обычно рассматривали одни из них, — главнейшие с их точки зрения, — упуская из внимания другие, не менее важные, как это оказывается при внимательном анализе. Лишь в середине XX века Г. Н. Каменский, А. М. Овчинников, Е. В. Посохов, К. Е. Питьева и некоторые другие среди нагромождения причин и следствий нашли последовательный подход к познанию закономерностей формирования состава подземных вод. В чем же он заключается?

Как известно, чтобы познать сложное явление, необходимо изучить отдельные его стороны, не отрывая и не изолируя их друг от друга. Применительно к генезису растворенного вещества отдельными сторонами или составными частями, по мнению автора этих строк, следует считать, во-первых, факторы, то есть движущие силы (причины), вызывающие изменение состава подземных вод, во-вторых, процессы — следствия факторов, которые создают или преобразуют состав, и, в-третьих, обстановки — природный фон, среду существования подземных вод, от них зависят интенсивность воздействия факторов и направленность процессов.

По существу, из этих трех составных частей складываются закономерности формирования состава подземных вод. С их помощью, таким образом, учитываются причины, следствия и влияние среды. Особенно хочется подчеркнуть причинную обусловленность и взаимосвязь рассмотренных ингредиентов, которые, несмотря на известный формализм, представляют основу для комплексного сравнительно-исторического метода познания закономерностей появления растворенных в воде веществ. Вот этот-то дифференцированный подход как раз и утвердили перечисленные ученые.

Правда, столь оптимистично к факторам, процессам и обстановкам относятся не все гидрогеологи. И не без оснований. Ведь даже провести строгую грань между ними не всегда возможно. Однако при умелом использовании они могут стать «лучом», который позволяет в «темном царстве» подземной гидросферы увидеть многие непознанные закономерности.

Причины формирования состава подземных вод первым обстоятельно исследовал в 60-х годах новочеркасский профессор Е. В. Посохов. Как всякая систематизация, его систематизация причин — факторов имела не только достоинства, но и недостатки. Вот, в частности, один из существенных: среди факторов оказались некоторые процессы. Тем не менее Ефим Васильевич сумел сделать принципиально новое: показать роль природных и искусственных факторов в формировании состава подземных вод.

Значение каждого из факторов (табл. 8) далеко не равноценно. Различают прямые факторы, непосредственно воздействующие на состав воды, и косвенные, определяющие условия, в которых происходит взаимодействие вещества земной коры с водой.

Описание каждого фактора заняло бы слишком много места и утомило бы читателя. Вероятно, доходчивее будет их сравнительная характеристика.

Для формирования состава неглубоких подземных вод первостепенное значение имеют физико-географические, биологические и антропогенные факторы. Влияют, конечно, и другие, но в основном они играют подчиненную роль.

В верхних горизонтах наиболее велико, пожалуй, воздействие климата. Не надо быть естествоиспытателем, чтобы видеть, как разбавляют грунтовые воды интенсивно выпадающие дожди или концентрирует в условиях сухого климата испарение. Одновременно с изменением степени минерализации меняется и состав. Испарение воды гидрокарбонатного состава превращает ее в сульфатные и даже хлоридные рассолы.

Из геологических факторов в верхних горизонтах первостепенное значение имеет вещественный состав пород, особенно когда подземные воды взаимодействуют с легкорастворимыми минералами и породами — каменной солью, гипсом, известняком, доломитом.

Очень интересна роль биологических факторов, прежде всего микроорганизмов. Их влияние на состав подземных вод самое разнообразное: разложение органических веществ и перевод в растворенное состояние углекислоты, восстановление или, наоборот, окисление серы, обогащение органическими кислотами и т. д. Воздействие бактерий на состав подземных вод отмечается как в верхних, так и в глубоких горизонтах.

Многим известны минеральные воды Мацесты. Своими удивительными целебными свойствами они обязаны высокой концентрации сероводорода. Воздействие его на больных поистине изумительное: миллионам сероводородные воды вернули здоровье. Как появился в этих водах сероводород? Загадку долго не удавалось отгадать. Когда же обратили внимание на приуроченность сероводородных вод к разрушенному нефтегазовому месторождению, решение оказалось на удивление простым. Месторождение «съели» бактерии, преобразовав углеводороды в сероводород. Поэтому его и много в воде. К такому выводу после изучения подземных вод Сочи-Мацестинского района пришли гидрогеологи А. М. Овчинников и Ф. А. Макаренко.

Интенсивность концентрирования или рассеяния растворенного вещества подземных вод резко меняется при смене геохимической обстановки, в частности, таких ее параметров, как щелочно-кислотный (pH) или окислительно-восстановительный (Eh) потенциалы, температура и давление. Это приводит к выделению вещества из раствора или, наоборот, переходу его в раствор.

Выделение вещества подземных вод происходит на так называемых геохимических барьерах, под которыми известный советский геохимик А. И. Перельман подразумевает участки резкой смены интенсивности водной миграции химических элементов. Геохимические барьеры образуют ни что иное, как месторождения полезных ископаемых. Вот некоторые из них:

окислительный барьер — смена восстановительных условий окислительными — характеризуется выпадением из подземных вод железа, марганца, серы и других элементов переменной валентности;

восстановительный барьер — противоположный предыдущему — приводит, например, к образованию сульфидных месторождений, а также залежей самородной меди;

кислый барьер появляется, когда щелочная реакция подземных вод переходит в кислую; тогда осаждаются кремний, молибден, ванадий;

щелочной барьер, наоборот, возникает при смене кислой среды на щелочную и вызывает вторичное минералообразование в карстовых полостях;

термодинамический барьер — смена температуры или давления — способствует осаждению кремнезема, кальцита и т. д.

В качестве примера термодинамического барьера можно указать на отложения кремнистого туфа — гейзерита — вокруг термальных источников и известкового туфа — травертина — около мест выхода углекислых вод. Травертиновые поля вокруг источников Кавказских минеральных вод занимают огромные площади.

В глубоких горизонтах тенденции, характеризующие поверхностное начало, не сказываются столь отчетливо на составе подземных вод. Здесь больше проявляют себя факторы, влияние которых обязано геологоструктурным и термодинамическим особенностям, но особое значение имеет фактор времени.

Время — важнейшая координата любого геологического процесса. Влияние его на состав подземных вод многогранно. Его воздействие прежде всего на глубокие горизонты объясняется устойчивостью наследия прошлых геологических эпох (реликтов магматических процессов, ионно-солевого комплекса бассейнов седиментации и т. д.). Из-за пониженной подвижности подземных вод, в отличие от неглубоких водоносных горизонтов, здесь это наследие прошлого сохраняется часто вплоть до наших дней.

Как же оно конкретно проявляется? Это и насыщение углекислотой подземных вод в районах недавней вулканической деятельности, и наличие специфических компонентов в термальных водах, и преимущественно хлоридный состав глубоких минерализованных вод артезианских бассейнов. Более того, в некоторых артезианских бассейнах (в том случае, если они хорошо изолированы