Подземная гидросфера - Евгений Викторович Пиннекер

сверху и по разломам снизу в них открыт доступ рассолам) подземные воды представлены нацело «гидрохлоросферой». Таков Тунгусский артезианский бассейн; он гидрогеохимически однозонален: ниже 200–300-метрового панциря многолетнемерзлых пород в центральной его части обнаруживаются только хлоридные кальциевые рассолы.

Во всех этих случаях состав подземных вод формируется независимо от вещества вмещающих пород. Вот почему изречение естествоиспытателей древности («Каковы породы, таковы и воды»), казавшееся бесспорным, А. М. Овчинников предложил перефразировать, заменив на ставший крылатым афоризм: «Вода такова, какова геологическая история района».

В заключение характеристики факторов формирования состава подземных вод нельзя не сказать о последней их группе (см. табл. 8). Производственная деятельность человека — так можно кратко назвать существо искусственных факторов.

…Вспоминается XXIII сессия Международного геологического конгресса. Она проходила в Праге летом 1968 года. На открытии конгресса с докладом «Человек как геологический агент» выступил известный специалист по инженерной геологии Р. Леггет: эта проблема наряду с двумя-тремя другими была признана важнейшей в геологии.

Еще В. И. Вернадский и А. Е. Ферсман сравнивали воздействие человека на земные недра с влиянием мощного геологического агента. В наше время эффект антропогенных факторов, пожалуй, превосходит многие геологические процессы. По отношению к составу подземных вод он выражается в засолении мелиорируемых земель, водоносных систем промышленными стоками или ядохимикатами, смешении вод различного состава. В будущем влияние этих факторов на состав подземных вод еще больше возрастет.

Однако производственная деятельность человека вызывает не только загрязнение подземных вод, на чем мы еще остановимся. Воздействие ее на изменение их состава гораздо сложнее и разнообразнее.

Из недр Земли ежегодно извлекается огромное количество химических соединений — нефть, уголь, металлы, соли и так далее, что, конечно же, нарушает естественный баланс в системе порода — вода, вызывая неизбежно дополнительный переход вещества в раствор. Сходный, но с противоположным эффектом процесс наблюдается на берегах водохранилищ. При создании, например, одного из крупнейших в нашей стране водохранилищ — Братской ГЭС — среди прибрежных карбонатных массивов за счет речных вод произошло опреснение подземных вод, что резко усилило карстообразование и вызвало появление провальных форм рельефа.

Процессы, формирующие состав подземных вод, по своему механизму требуют учета прежде всего переноса вещества, его воспроизводства (перевода в раствор) и поглощения (вывода из раствора). Кроме того, есть процессы, сочетающие два последних, а также характеризующие миграцию самой воды (табл. 9).

Различные формы имеет, как мы говорили, движение воды. Но и перенос растворенных веществ осуществляется также по разным законам; основные его виды — диффузия и фильтрация.

Диффузия приводит к выравниванию концентрации растворенных веществ. В подземной гидросфере молекулярные потоки диффузии обязаны главным образом градиенту концентрации. Чисто диффузионные процессы свойственны покоящимся средам. Для коротких отрезков геологической истории такая обстановка присуща зоне пассивного водообмена артезианских бассейнов.

Одним из первых механизм концентрационной диффузии для выяснения закономерностей переноса растворенного вещества использовал доктор геолого-минералогических наук С. И. Смирнов. Проведенные им расчеты дали поразительные результаты. Они показали, что растворенные минеральные вещества могут мигрировать в течение геологического времени на расстояния, измеряемые километрами, и пронизывать всю мощность осадочной толщи, при этом перемещается хорошо ощутимая масса растворенных веществ.

Выводы С. И. Смирнова подтвердили другие ученые, хотя и не в столь категоричной форме. Концентрационная диффузия, как теперь установлено, представляет основной вид перемещения растворенного вещества в глубоких водоносных горизонтах осадочных бассейнов. В существенной мере она вызывает обессоливание седиментогенных вод. И тем сильнее, чем она продолжительнее, то есть чем древнее возраст водовмещающих пород.

Фильтрация, движущей силой которой служит напорный градиент, сочетает механическое (конвективное) и диффузионное перемещение вещества. Этот вид переноса, вероятно, представляют все, но не все, по-видимому, знают, что он происходит двумя «потоками»: макроскопическим и молекулярным, поэтому его называют диффузионно-конвективным массопереносом. Итог такого перемещения — смешение вод различного состава и различной минерализации. В зависимости от объема смешивающихся вод, а также влияния некоторых других условий смешение вод сопровождается активизацией процессов массопереноса, перевода вещества в раствор и вывода его из раствора.

В чем различие процессов, переводящих вещества в раствор, — гидролиза, выщелачивания и растворения?

Представим себе взаимодействие воды с кристаллической породой, скажем, гранитом или гнейсом. Такие породы называют инертными по отношению к выщелачиванию и растворению. Однако и они разлагаются, хотя и медленно (в геологическом понимании!), главным образом путем вытеснения ионом водорода воды иона металла породы. Это и есть гидролиз — процесс, который обычно формирует ионно-солевой состав ультрапресных и пресных вод, содержащих кремнекислоту. Важным условием протекания реакций гидролиза следует считать активный водообмен, обеспечивающий удаление продуктов гидролитического разложения. Тогда процесс идет до полного разложения исходной горной породы.

Грань между выщелачиванием и растворением в значительной мере условна. При выщелачивании порода переходит в раствор частично, растворение же вызывает полное разрушение кристаллической решетки минерала. Подземные воды полностью усваивают лишь немногие соли, отличающиеся высокой растворимостью. По отношению к растворению выщелачивание представляет более общий процесс — его воздействию подвержены все горные породы.

Процессы выщелачивания и растворения стимулируются такими веществами, как кислород, углекислота, серная кислота, которые способствуют предварительному разложению труднорастворимых минералов. В результате выщелачивания и растворения создается состав подавляющей массы пресных и минерализованных вод верхних водоносных горизонтов.

Удаление веществ из раствора обязано преимущественно выпадению их в осадок в виде солей, когда соли достигают предела растворимости. Кристаллизации благоприятствует изменение общей геохимической обстановки за счет концентрирования растворенного вещества, выделения газов, смешения вод разного состава, сдвига термодинамического, кислотно-щелочного и окислительно-восстановительного равновесий.

Хорошей иллюстрацией сказанному может быть выпадение солей из предельно насыщенного рассола, когда в результате смены температуры и давления растворимость солей оказывается выше предела насыщения (см. рис. 9). Пример — упомянутые гейзериты или травертины, отлагающиеся вокруг источников, засоление почв при испарении или вымораживании, а также осаждение растворенных веществ на геохимических барьерах. Таким образом, гидрогенное минералообразование (такое наименование получил этот процесс) сопровождаете существенным изменением состава подземных вод.

При соприкосновении с различными поглотителями (глинами, коллоидами и т. д.) растворенные вещества могут удаляться и из ненасыщенных солями подземных вод. Этот процесс потери их раствором называется сорбцией. Особенно легко сорбируются редкие элементы.

Процессы, сочетающие воспроизводство и поглощение растворенного вещества, носят обменный характер.

Весьма велика роль ионного обмена. Поскольку частицы горных пород имеют преимущественно отрицательный заряд, между подземными водами и вмещающими породами совершается большей частью обменная адсорбция катионами, благодаря чему переходят в раствор кальций или натрий, обменивающиеся на эквивалентное количество соответственно натрия или кальция. Обменно-адсорбционные процессы совершаются главным образом в верхних горизонтах осадочных толщ, однако высокие скорости движения подземных вод для этого неблагоприятны.

В глубоких горизонтах более вероятна обменная абсорбция, заключающаяся в метасоматическом замещении катионов породы с большими ионными радиусами на катионы воды