Подземная гидросфера - Евгений Викторович Пиннекер

В сложном круговороте воды наименее изучены подземные звенья. Они разнообразны и труднее доступны для наблюдения. Тем не менее для любых разновидностей подземных вод, несмотря на их кажущееся различие, мы видим неразрывность и неделимость: йода из одного состояния переходит в другое. И так вплоть до мантии, причем всякое изменение количества воды в Земле, где-либо происходящее, неизбежно отражается на общей массе подземной гидросферы или гидросферы Земли в целом. В подземной гидросфере, таким образом, все виды Н2О находятся в равновесном состоянии, образуя систему «пар лед вода связанная вода свободная».

Равновесие в этой системе обратимое. Если в каком-то месте количество Н2О убывает, то где-то в другом оно возрастает на точно такую же величину. Кроме того, компоненты подземной гидросферы тесно связаны не только с горными породами, но и с живым веществом, атмосферой, космосом и мантией.

Классические представления о круговороте воды в природе, знакомые из школьных учебников, описываются уравнением водного баланса: X = Y + Z, где X — атмосферные осадки, Y — сток (поверхностный и подземный), Z — испарение.

Такова общая схема гидрологического круговорота воды. В ней различают большой и малый круговороты. При большом круговороте (см. рис. 5) водяные пары, образовавшиеся в результате испарения над поверхностью морей и океанов, переносятся на сушу, где выпадают в форме дождя или снега, затем вода снова попадает в моря и океаны через поверхностный или подземный сток. Малые круговороты носят локальный характер и реализуются в пределах сравнительно небольших участков суши или океана. Насколько велики цифры водного баланса земного шара и территории СССР, видно из табл. 3.

Гидрологический круговорот обеспечивает водообмен внутри водоемов, а также взаимосвязь наземных и подземных вод. Темп водообмена для отдельных видов природных вод самый различный (см. табл. 1).

Если полный водообмен в океанах, ледниках и глубоких водоносных горизонтах происходит очень медленно — в течение тысячелетий и даже миллионолетий, то верхняя (до глубин 0,3–0,5 километра) подвижная часть подземных вод, которая активно взаимодействует с поверхностными водами, обновляется в среднем 3 раза в тысячелетие. Ресурсы почвенной влаги и неглубоких водоносных горизонтов заменяются почти ежегодно. Еще быстрее происходит смена воды в реках (за 12 суток) и атмосфере (за 10 суток). Высокая подвижность речных и атмосферных вод, несмотря на незначительный объем (тысячные и стотысячные доли процента от всей массы гидросферы), выдвигает эти две составляющие в число основных элементов водного баланса Земли.

Однако традиционный гидрологический круговорот, происходящий по схеме «осадки — сток (поверхностный и подземный) — испарение», охватывает только верхнюю часть земной коры, которую принято называть зоной интенсивного водообмена. Вода с поверхности хотя и проникает на более значительные глубины, в зоны замедленного и весьма затрудненного (пассивного) водообмена, но темп водообмена там заметно падает, возобновление совершается, как уже отмечалось, за тысячелетия и даже мидлионолетия.

Неполнота такого представления о круговороте в последние годы стала очевидной; оно далеко не отражает всего многообразия движения воды в земной коре, особенно в глубоких ее частях. Наиболее удачную модель всеобщего круговорота воды предложил в 1980 году томский гидрогеолог С. Л. Шварцев. В ней наряду с гидрологическим выделяется геологический круговорот, обусловленный участием воды в различных геологических процессах — седиментации, литогенезе, метаморфизме, магматизме. Оба круговорота связаны друг с другом (рис. 5). В отличие от достаточно сложного гидрологического, геологический круговорот еще более сложен. Он совершается преимущественно на глубинах и в различных обстановках. В нем выделяются три этапа (осадочный, метаморфический, магматический), каждый из которых в какой-то мере самостоятелен. Вместе с тем геологический круговорот связан и с наземной гидросферой. Обмен водой происходит также между земной корой и мантией, хотя о его балансе пока судить трудно.

Рис. 5. Так представляется взаимодействие гидрологического и  геологического круговоротов воды в природе.

Из каких компонентов состоит подземная гидросфера? Впервые классификацию разновидностей воды в почвах и горных породах дал А. Ф. Лебедев. Применительно к гидрогеологии в целом на основании его классификации и современных представлений различается шесть главных компонентов подземной гидросферы:

вода в форме пара;

вода в твердом состоянии;

физически связанная вода;

свободная вода;

вода в надкритическом состоянии; химически связанная вода.

В пространстве между земной поверхностью и постоянным уровнем подземных вод водяной пар заполняет незанятые жидкой фазой пустоты горных пород. Проникая сверху, он конденсируется и образует физически связанную и свободную («жидкую») воду. Этот слой водяного пара — мощность его обычно не превышает нескольких метров, но прослеживается он почти под всей сушей — только незначительная часть парообразной воды Земли. Вероятно, больше горячего пара: он образуется при выходе перегретых вод (с температурой от 100 (а в горах даже ниже) до 374–450 °C) на поверхность Земли в гейзерах и вулканах или встречается в виде пароводяной смеси. При надкритических значениях температуры (374 °C для «чистой» воды и 450 °C для водных растворов) и давления (более 218 атмосфер) различия между жидкостью и паром стираются: в этом случае молекулы приобретают скорость газа, а плотность становится близкой к единице, как у «жидкой» воды.

Льда в земной коре не так много. Однако и не мало, поскольку он встречается не только в сезонно-мерзлом слое, а главным образом в толще вечномерзлых пород. Мощность же последних местами достигает 1,5 километра, да и распространены они на большой территории (47 % площади Советского Союза). Встречаются мерзлые породы также под дном северных морей. В мерзлом состоянии вода образует кристаллики, жилы или прослои льда, иногда бугры с растущим (за счет подтока воды снизу) ледяным ядром — гидролакколиты.

В одной из детских сказок великан пытается выжимать воду из камня. Возможно ли это? Оказывается, очень легко. Если взять в руку кусок мерзлой горной породы, вода выделяется уже от тепла ладони…

Физически связанная вода находится в той или иной степени взаимодействия с частицами породы, на основании чего она разделяется на прочносвязанную (гигроскопическую) и рыхлосвязанную (пленочную). Ее может быть много, как в донном иле, и мало, что мы видим в уплотненном или высушенном суглинке. Влажность — количество физически связанной воды от общего объема породы — тем больше, чем меньше минеральные частицы. Особенно велика (более 50 %) влажность глин.

Хорошо связана с минеральными частицами гигроскопическая влага: она в виде молекул водяного