Четвертый семестр / Четвертый семестр / Гидрогеология / Шварцев С.Л. Общая гидрогеология

По мнению ряда сторонников развиваемых представлений (АП. Виноградова, Н.М. Страхова, А.Б. Ронова и др.), между водой и вы делившимися газами около 2,5 млрд. лет назад установилось динамическое равновесие и именно тогда, на рубеже архея и протерозоя, закончилась наиболее интенсивная

гранитизация пород с образованием гранитного слоя, произошло расчленение земной коры на платформы и геосинклинали, возникли континентальные моря.

Все это положило начало атмосфере и регулярному круговороту воды. В настоящее время многие гидрогеологи (В.Ф. Дерпгольц, Е.В. Пиннекер, Ф.А. Макаренко, Е.В. Посохов, В.И. Кононов и др.) разделяют точку зрения А.П. Виноградова на генезис воды на Земле.

Имеются, однако, и такие исследователи, которые, разделяя в принципе ювенильный генезис воды земных недр, считают, что гидросфера создавалась

постепенно и даже продолжает формироваться за счет мантии и в наше время. Так, американский исследователь В. Руби и японский ученый Я. Мияки полагают, что процесс дегазации мантии протекал равномерно с более или менее одинаковой скоростью в течение всей геологической истории и продолжается в современную геологическую эпоху. Русский исследователь О.Г. Сорохтин [17] даже подсчитал, что рост Мирового океана будет продолжаться, замедляясь еще в течение почти 2 млрд. лет (рис. 3.14).

По рассматриваемой ювенильной гипотезе из мантии поступают не только вода, но и другие химические соединения. Так, по А.П. Виноградову, летучие вещества мантии (НС1, СО, СО2, СН4, S, H2S, NH3, HF, HB, HJ) образовали анионный состав океанической воды. Катионный же состав (Na, Ca, Mg, К)

образовался за счет горных пород, которые вода растворяла в процессе климатического круговорота. На раннем этапе в гидросфере не было

свободного кислорода, поэтому в воде преобладали агрессивные легкоокисляемые компоненты, растворяющие горные породы. При постепенном понижении температуры парогазовой смеси до менее 100° С вода выделялась из атмосферы вместе с растворенными в ней кислотами, которые позже нейтрализовались базальтовыми породами [15].

Изложенные выше взгляды на генезис воды хотя и пользуются широким признанием, но не объясняют всех известных фактов. Среди последних внимание исследователей привлекают два: 1) не-

Рис. 3.14. Изменение во времени массы воды (1

— 4 ) в гид росфере и земной коре [18]:

1 — суммарная, дегаз ированная из мантии; 2 — в гидр осф ер е; 3 — в океанической коре; 4 — в континентальной коре

92

соответствие молодого возраста дна Мирового океана его древнему генезису, как это вытекает из концепции ювенильных вод. Дело в том, что на дне океана не найдены породы древнее меловых, что затрудняет объяснение древнего его возраста и 2) несоответствие изотопного состава воды

современных океанов идее их образования за счет ювенильных вод глубоких недр Земли.

Эти и другие несоответствия ставят под сомнение идею изначально холодной Земли и возрождают на новом уровне "забытую" идею горячего начала Земли. Так, В.И. Ферронский [16], проведя анализ изотопного состава воды в различных земных и космических объектах, пришел к следующим любопытным выводам.

1. При весьма широком диапазоне изменения содержаний D и 18О в разнообразных объектах изотопный состав воды океанов остается постоянным на протяжении длительного времени.

2. Содержание D во всех земных и космических объектах имеет

достаточно однозначную тенденцию в сторону обеднения по сравнению с его содержанием в океанической воде.

3. Гидросфера в целом обогащена D и обеднена 18О относительно горных пород и минералов, что не свидетельствует в пользу идей

образования океана за счет выхода ювенильных вод из глубоких недр Земли.

которого происходило образование Земли, Луны и метеоритов, но только при разных температурных условиях и последовательности протекания

природных водах и породах, а особенно в океане, не согласуются с гипотезой холодного начала Земли.

Идея горячего начала Земли, основанная на предположении о происхождении всех планет солнечной системы из единого газообразного

облака в процессе его гравитационного сжатия и, как следствие, разогрева и дифференциации вещества по массе и по летучести, лучше объясняет все наблюдаемые факты изотопного состава воды. По этой гипотезе земное облако выделилось из единого солнечного облака в процессе его сжатия. Сжатие земного облака сопровождалось дальнейшим его разогревом и химической дифференциацией газа. При этом процесс формирования Земли протекал последовательно, в порядке, отвечающем температурам конденсации отдельных химических соединений. Образования железа и никеля с кремнием и магнием имеют наиболее высокую температуру конденсации, поэтому они образовали ядро нашей планеты. Сульфиды и силикаты имеют более низкую температуру конденсации, поэтому они

93

образовали мантию Земли. Вода, имеющая наиболее низкую температуру конденсации, должна была выпасть на поверхность Земли на самой последней

стадии ее формирования. Несконденсированная часть газа осталась в виде атмосферы.

Учитывая разработки многих иностранных ученых, особенно Г. Юри, И.Вуда, Д. Ларимера, М. Бландера, Д. Катца и др., можно полагать, что

происхождение воды и образование гидросферы по своей сути являются вадозными, т.е. вода в момент образования не была ювенильной, а являлась

поверхностным образованием. В глубины Земли она проникла позже в процессе ее круговорота.

Следует отметить, что, по данной гипотезе, время между завершением конденсации минеральной части Земли и началом конденсации воды должно быть весьма значительным, учитывая разницу в температурах их конденсации. Этот интервал времени, по В.И. Фер-ронскому, мог значительно возрасти за счет парникового эффекта, который вызывали углекислый газ и вода до ее конденсации, подобно тому, что мы наблюдаем сейчас на Венере. В связи с этим есть основание полагать, что гидросфера Земли является достаточно молодым образованием среди других ее оболочек, а наблюдаемая стабильность химического и изотопного состава океана во времени является результатом унаследованного равновесия в системе вода — раствор, которое было приобретено ею в газовой фазе.

Идею конденсационного генезиса гидросферы Земли поддерживает и развивает А.Н. Павлов [14], который, опираясь на идеи американских

исследователей С.П. Кларка младшего, К.К. Турекьяна и И.Л.Гроссмана, полагает, что возникшая на последней стадии конденсации туманности водная оболочка Земли взаимодействовала только с наружным слоем, который имел достаточно развитую пористость и высокую трещиноватость, формирующуюся под действием температурных и гравитационных напряжений.

В процессе эволюции тектонических режимов изменялись и формы круговорота воды. Климатический круговорот, очевидно, возник только с момента появления суши и океана. В современном виде он сформировался, вероятно, недавно — с момента появления и становления океанов и континентов. Геологический круговорот появился вместе с осадочными породами, начиная с протерозоя. Мантийно-океанический круговорот оформляется вместе с началом действия тектоники плит.

Исходя из сказанного, А.Н. Павлов предлагает следующую схему формирования подземных вод.

1. На догеологическом этапе истории Земли (ранее 3,6 млрд. лет) на завершающей стадии конденсации газовой туманности возникла первичная

гидросфера. Появление ее началось с накопления различных форм воды в 20%

по мощности слое, имевшем к тому времени развитую пористость и трещиноватость.

2. Насыщение приповерхностного слоя водой определило его дальнейшую геологическую историю. Переход приповерхностного

94

слоя из твердого в вязкопластичное состояние обусловил развитие пангеосинклинального режима, с которого начался процесс обезвоживания мантии, продолжающийся и в современную геологическую эпоху.

3. Появление и развитие жизни на Земле предопределило характер протекания физико-геологических процессов на поверхности и в недрах

чит , и все генетические типы воды, о которых речь впереди. Однако роль различных типов круговорота в формировании подземных вод менялась.

В настоящее время появляется все больше данных, подтверждающих конденсационную гипотезу происхождения гидросферы. В частности, обращает на себя внимание исключительная агрессивность воды относительно эндогенных алюмосиликатов, с которыми, как было доказано в последнее время [13], вода никогда не бывает в равновесии и всегда на всех участках земной коры их растворяет. Такая несовместимость воды и горных пород мантийного генезиса безусловно имеет свою историю и должна отражать глубинные генетические корни, свидетельствующие об отсутствии

генетического "родства" воды с эндогенными породами. Наоборот, имеющее место противоречие между водой и породой является источником развития

подавляющей части процессов и явлений в неживой природе, в том числе геологических. На базе этого всеобъемлющего противоречия должна быть создана новая философская концепция развития и самоорганизации в неживой природе. Частично этот вопрос рассмотрен в гл. 8.

3.4.2. Генетические типы подземных вод

Независимо от того, как произошло зарождение гидросферы на земле,

возникшая вода включилась в разнообразные круговороты, которые привели к формированию разных генетических типов подземных вод, под

которыми понимаются типы воды, объединенные единым источником питания, механизмом проникновения в земные недра и общей направленностью круговых процессов.

Следует подчеркнуть, что проблема образования именно подземных вод — одна из самых древних в гидрогеологии. Эти вопросы рассматривались еще древними мыслителями Платоном, Аристотелем, М. Витрувием Поллио, Плинием Старшим и многими другими (см. раздел 1.3). В современное время разработкой генетической классификации подземных вод занимались Э. Зюсс, Р.А. Дели, А.А. Козырев, А. Жирмунский, Г.Н. Каменский, Н.И. Толстихин, A.M. Овчинников, Э.Т. Дегенс, А. Шѐллер, Д.Е. Уайт и многие другие. В последнее время свою генетическую классификацию подземных вод разработал Е.В. Пиннекер (рис. 3.15), в которой

95

механизма перемещения воды в почве, осветил истинную роль инфильтрации и конденсации водяных паров в питании подземных вод и выделил различные виды воды.

Он весьма убедительно показал, что грунтовые воды формируются

благодаря: 1) конденсации парообразных вод почвы, грунта и, возможно, глубинных вод и 2) инфильтрации жидких вод (атмосферных осадков).

Чаще всего эти процессы происходят одновременно, накладываясь один на другой. Бывают случаи, когда грунтовые воды образуются только конденсационным путем, а иногда только инфильтрационным. Причем последний путь является решающим не только в районах с гумидным климатом, но и аридным. Инфильтрационные воды во всех без исключения случаях резко доминируют над конденсационными.

Таким образом, и здесь, как это бывает часто в науке, обе точки зрения оказались в какой-то мере приемлемыми. Работы А.Ф. Лебедева настолько убедительны, что они были признаны всеми и до сих пор возражений не вызывают. Споры идут лишь о степени участия конденсационных и инфильтрационных вод в питании подземных вод того или иного конкретного района.

Следовательно, метеогенные воды по механизму проникновения в земные

недра через зону аэрации следует разделить на инфильтрационные, проникающие путем свободного течения (инфильтрации) жидкой воды по

свободным порам, и конденсационные, проникающие в форме водяного пара, а затем уже в порах горных пород путем конденсации, образующие жидкую фазу. Инфильтрационные воды резко доминируют над конденсационными и составляют основу всех вод метеогенного происхождения.

Метеогенные воды широко развиты в верхних водоносных горизонтах,

взоне активного водообмена. Всегда, когда мы встречаем пресную воду

вколодцах, неглубоких скважинах, родниках, она является метеогенного происхождения. Такие воды в основном питают реки, озера, используются корнями растений, формируют родники. Мощность зоны таких вод на платформах составляет 1-2 км, а в горноскладчатых областях значительно больше — до 2-3 км. Эти же воды, проникая на большие глубины, нагреваются и в горных районах формируют родники горячих (термальных)

вод.

Вторую генетическую группу подземных вод образуют воды,

участвующие в геологическом круговороте и получившие название седиментационных, т.е. формирующихся в процессе седиментации или образования осадочных пород. Такие воды еще называют погребенными (ископаемыми) или захороненными морскими, а в зарубежных странах еще и формационными (formation water).

Идея ископаемых (седиментационных) вод наиболее полно развита в России А.Д. Архангельским, А.Н. Бунеевым, К.И. Маковым, В.А. Сулиным , A.M. Овчинниковым и другими авторами. Они

97

показали, что многие типы соленых глубоких подземных вод представляют собой сильноизмененные остатки древних морских или реже

озерных бассейнов, в которых формировались сами осадочные породы. Среди седиментационных вод в соответствии с механизмом попадания их

в водоносный горизонт следует различать погребенные, элизионные и возрожденные.

Погребенные — это свободные воды, которые, находясь в порах горных пород с момента формирования донного осадка, опустились на некоторую глубину и образовали водоносный горизонт. Элизионные (элизия — выдавливание) — это воды, выдавленные под действием веса вышележащих пород из глинистых образований и перешедшие в коллектор. Другими словами, — это физически связанные с осадком на дне водоема воды, которые переместились на некоторую глубину и

перешли в свободное состояние. Такие элизионные воды преобладают в осадочных бассейнах морского генезиса. И, наконец., возрожденные воды

— это те, которые перенесены на большую глубину непосредственно кристаллической решеткой в форме конституционных, кристаллизационных или цеолитных и перешли в свобод ное состояние в результате разрушения структуры минерала. Многие из таких возрожденных вод по своей сути являются синтезированными из ионов Н+ и ОН- или 2Н+ и О2-. Поэтому среди возрожденных вод следовало бы выделять самостоятельный тип химически синтезированных. К сожалению, в настоящее время отсутствуют критерии для такого разделения этих вод, но в перспективе это будет возможным.

Седиментационные воды широко распространены в нижних горизонтах артезианских бассейнов платформенного типа. С этими водами сталкиваются особенно часто нефтяники, так как образование нефтяных месторождений непосредственно связано с ними. В отдельных случаях

рассолы седиментационного происхождения встречаются и в кристаллических породах щитов, куда они проникли под давлением со

стороны платформенных образований. Еще более широко развиты седиментационные воды на дне морей и океанов, где они заполняют все осадочные образования, развитые в структурах впадин и прогибов, а также донные (иловые) осадки.

Встречаются седиментационные воды и в горноскладчатых областях, особенно молодого возраста, например на Кавказе, где они не вытеснены пока еще инфильтрационными водами в процессе климатического круговорота.

Возрожденные воды также развиты в горноскладчатых областях по зонам тектонических нарушений. Они отличаются высокой температурой, относительно низкой соленостью, высоким содержанием углекислого газа и многих специфических компонентов.

Как уже отмечалось, в начале XIX в широкое распространение

98

получила ювенильная гипотеза образования подземных вод, предложенная австрийским геологом Э. Зюссом. Согласно этой гипотезе все подземные воды образуются за счет выделения паров из магмы, которые, концентрируясь в более холодных верхних сферах, под нимаются по глубоким тектоническим зонам и разломам, а затем, растекаясь в осадочных породах, образуют целые бассейны ювенильных (в переводе первозданных) вод.

Все воды, поступающие в земную кору из атмосферы, с которой они связаны постоянным круговоротом, в отличие от ювенильных, Э. Зюссом названы вадозными.

Гипотеза ювенильных вод до настоящего времени остается весьма слабо обоснованной фактическими данными. Э. Зюсс свою точку зрения обосновывал главным образом данными, собранными по районам вулканической деятельности, при которой происходит выделение большого количества воды.

Однако более поздние работы по изучению гидрогеологических условий районов вулканической деятельности показали, что основная масса выделяемой воды захватывается магмой на пути ее движения из глубоких водоносных горизонтов, т.е. происходит смешение ювенильных и вадозных, включая седиментационные, вод, хотя доля первых даже в районах активной вулканической деятельности, по последним данным, не превышает 5% [13].

Среди ювенильных вод следует различать воды магматоген-ные, т.е. поступившие в земную кору вместе с магмой и.выделившиеся из нее при

остывании, и интрателлурические — образовавшиеся в результате дегазации вещества мантии и поступающие в земную кору по зонам глубинных разломов или риф-товым зонам срединно-океанических хребтов. Следовательно, ювенильные воды наиболее вероятно можно ожидать в районах активного вулканизма, например, в Японии, и рифтовых зонах континентов и океанов. Но возможно также, что ювенильные воды в природе не существуют, и то, что под ними понимается — это вадозные воды,

проникшие глубоко в земные недра в процессе геологического круговорота. Проводимое активно в последние десятилетия американскими геологами

бурение дна Мирового океана вскрывает любопытные факты высокой проницаемости кристаллических пород океанической коры и широкого развития в них измененных океанических вод. Механизм проникновения таких вод в глубокие горизонты океанической коры в настоящее время не совсем ясен, однако, несомненно, он связан с мантийно-океаническйм круговоротом, движением литосферных плит. Большая их часть образуется за

счет океанической воды. Поэтому свободные воды, образующиеся в процессе этого круговорота, целесообразно называть общим термином талассогенные, в отличие от седиментационных, формирующихся на континентах и их окраинах (шельфовые зоны).

99

Среди талассогенных вод имеются, безусловно, такие, которые проникли в глубокие горизонты путем сложных перетоков при изменении в отдельных зонах океанического дна давления, удельного веса воды при нагревании, газонасыщении и т.д. Значительная часть воды захоронена вместе с донными осадками (иловые воды). Однако основная часть воды формируется в процессе движения литосферных плит. В опускающихся блоках происходит

освобождение физически связанных вод и дегидратация минералов, т.е. возникает поток воды снизу вверх. В поднимающиеся блоки в силу их разуплотнения и уменьшения давления проникает океаническая вода. Формирующиеся таким путем воды целесообразно называть

литификационными.

Большая же часть воды выделяется из пород литосферных плит при их столкновении и погружении одна под' другую в результате сложных

механических и физико-химических процессов. Такие воды называть ювенильными, как это предлагает Е.В. Пиннекер, пока нет оснований. Основная их часть проникает в земные недра, вероятно, по зонам крупных разломов рифтовых структур срединно-океанических хребтов. Масштабы этого явления, по оценкам Д.М. Эдмонда и К. фон Дамма, чрезвычайно высоки, так как через основные части подвижных областей каждые 8 млн. лет должна проходить масса воды, равная объему Мирового океана. Такая оценка, видимо, сильно завышена, тем не менее она показывает важную

роль рифтовых зон в геологическом круговороте воды. Эти огромные массы воды следует относить по генезису к рифтогенным. Наконец, основные потоки восходящей воды из литосферных плит должны быть связаны с зонами субдукции — линейными зонами, вдоль которых происходит погружение одной литосферной плиты под другую. Такие воды целесообразно называть субдукционными.

В последние годы А.А. Карцев широко использует понятие о

литосферных водных растворах как системе, состоящей из воды и растворенных в ней солей. При таком понимании термин "литосфер-ные растворы" нe несет в себе генетического смысла.

Общая схема круговорота воды в недрах Земли представлена на рис. 3.16,

аподразделения генетических типов вод в табл.3.2.

Ксказанному следует добавить, что во многих классификациях среди генетических типов вод выделяются такие, как метаморфические, вулканогенные и др. Однако под этими терминами фактически кроются не

генетические, а смешанные воды разного генезиса. Ведь не секрет, что вулканогенными могут быть и инфильтрационные, и седиментационные, и ювенильные, и литификационные воды. Доля каждой из этих групп воды в каждом вулкане своя, так как это зависит от многих факторов. Поэтому эти названия лучше употреблять для вод, когда речь идет не о генезисе воды, а о геологических процессах и месте ее образования.

100

Рис. 3.16. Схема взаимодействия круговоротов и распределения гене тиче ских типов воды.

Кру го воро т ы во ды: 1 — климат ический , 2 — гео лог ич еский , 3 — мант ийный , 4 — мантийно-о кеанич еский; 5 — о садки о кеанического дна ; 6 — осадочные поро ды; 7 — фу ндамент плат фор мы; 8 — гр анит ы; 9 — б азальто вая маг ма ; 10 — о кеанич еская кор а ; 1 1 — лито сфер а ; 1 2 — аст ено сфер а ; 13 — зо на разломов

101