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

Рис. 3 .1 0 . Кривые отжатия свобод ной и

межслоевой вод ы из уплотняющихся глин:

1 — по Дж.Берсту; 2 — по Е.А . Перри и Дж.Х ауеру.

Стадии обезвожив ания осадка: I — отжатие свободной воды; II — началь ная — отжатие 50% межслоевой воды на глубинах 2,0-2,7 км; III — промежуточная -отжатие еще 25% межслоевой воды на глу бинах 3,0 -3,5 км; IV — заключитель ная - отжатие последних 25% воды на глубинах свыше 3,5 км

Особенно интенсивно эти процессы протекают на глубинах 2-3 км , но продолжаются и

глубже.

Выжимание седиментационных вод из глинистых пород происходит и на глубинах свыше 3000 м, однако масштабы этого явления значительно уменьшаются, так как пористость глин на этих глубинах, как правило, менее

10%. Тем не менее значительное количество захороненных (седиментационных) вод в глинистых и песчаных породах .сохраняется и

на глубинах 6-8 км [12].

Следовательно, первый этап геологического круговорота воды, связанный с захоронением осадков на большие глубины, может быть назван седиментационным. Его формирование происходит в условиях отжатия воды из захороняющихся горных пород, т.е. в условиях элизионного режима. В платформенных условиях это приводит к формированию большого количества седиментационных вод, которые после регрессии моря оказываются на суше и вовлекаются постепенно в климатический круговорот воды. Однако в силу плохой проницаемости пород эти процессы, особенно на значительных глубинах, совершаются крайне медленно, и поэтому в низах артезианских бассейнов платформенного типа часто встречаются седиментационные воды. Естественно, что при прочих равных условиях чем более древним является бассейн, тем больше вероятность его промывания седиментационными водами.

Однако в реальных природных условиях отмеченная закономерность осложняется развитием структурных особенностей бассейнов, их размерами,

соотношением областей питания и разгрузки, длительностью инфильтрационного и седиментаци-онного циклов, неотектоническими факторами и т.д.

В геосинклинальных условиях геологический круговорот воды седиментационным этапом не заканчивается, так как продолжающееся прогибание территории приводит к дальнейшему погружению осадочных пород и связанных с ними подземных вод, освобождаемых уже в процессе метаморфизма.

После уплотнения и полной литификации осадков оставшиеся в них поровые воды составляют еще 2-5% от их объема. Эти воды в виде свободных выделяются при попадании осадочных толщ в зону прогрессивного метаморфизма, который, сопровождаясь перекристаллизацией пород, приводит к выделению в свободную фазу не только поровых, но и всех их

82

кристаллизационных и конституционных разностей, входящих в состав глинистых минералов. При этом происходит не просто освобождение воды или дегидратация горных пород, но и их дегидроксилирование, т.е. выделение гидроксильной группы ОН-, а также ионов водорода и кислорода, которые,

соединяясь, синтезируют молекулу воды. В этих условиях поэтому формируются вновь синтезированные, или возрожденные, воды. Синтез воды

делает зону метаморфизма качественно новым этапом геологического круговорота, который предлагается называть метаморфогенным.

Количество воды, выделяющееся на метаморфогенном этапе, может достигать 15-25% весовых, так как на этом этапе из кристаллической решетки минералов выделяются конституционная и кристаллизационная вода. К этому необходимо добавить поровую воду, всегда присутствующую в том или ином количестве. Выделение воды при метаморфизме происходит медленно по мере перекристаллизации минералов, но этот процесс характерен практически для всех его этапов. Тем самым захороненная первоначально в осадочных отложениях вода в процессе метаморфизма постепенно полностью освобождается и занимает трещины и межгранулярные пространства горных пород, а также образует восходящие потоки к поверхности земли. Таким путем свободные воды по системе сообщающихся сосудов из зоны

метаморфизма оказываются выведенными снова к дневной поверхности, тем самым замыкая геологический круговорот воды и создавая флюидные

потоки из коровых (15-30 км) и мантийных недр земли, представление о которых развивает академик Ф.А. Летников [8].

Процессы метаморфизма в большинстве случаев связаны с резким изменением тектонического режима территории, когда опускание сменяется поднятием и регрессией моря. В это время создается горноскладчатая система. Процесс горообразования сопровождается раздроблением территории на отдельные части, возникновением магматических процессов с вулканическими проявлениями. Все эта приводит к тому, что погребенные седиментационные воды вступают в активное взаимодействие с глубинными растворами и газами магматического происхождения.

Расширяющиеся и углубляющиеся разломы земной коры, процессы магматической деятельности способствуют активной миграции захороненных вод среди различных пород и вовлечению их в сферу действия климатического

круговорота. В этих условиях формируются разнообразные минеральные, газоносные, гидротермальные и другие воды. Подымающиеся и

раскрывающиеся структуры подвергаются воздействию метеорных факторов, что еще усложняет гидрогеологические условия и способствует вовлечению глубинных вод в общий круговорот.

В дальнейшем, по Н.К. Игнатовичу, происходит дифференцированное развитие складчатой структуры, заключающееся:1) в возрастающем раскрывании ее центральных частей; 2) в более

83

Рис. 3. 11.

Взаимодействие климатического (I) и геологического (II) круговоротов воды

вода, которая поступает на Землю с каменными и, видимо, ледяными метеоритами, а теряется в виде ионов водорода и кислорода, образующихся

при разложении воды в ионосфере. И хотя масштабы этих явлений остаются не выясненными, их нельзя сбрасывать со счета, так как, по мнению многих исследователей, большая часть водорода покинула нашу планету вследствие диссипации. Явлениям обмена воды между Землей и космосом большое значение придавал В.И. Вернадский. Круговорот воды, протекающий между Землей и внеземной материей, называют космическим, имея в виду, что в геологическом аспекте

85

времени значение этого круговорота, видимо, черезвычайно велико.

3.3.1. Мантийно-океанический цикл круговорота воды

Как показано выше, этот цикл круговорота А.Н. Павлов связывает со схемой движения океанического дна и системой конвективных потоков

вещества, протекающих в верхней мантии, разработанной в соответствии с новой глобальной тектоникой или тектоникой плит. Океаническая кора и подстилающая ее мантия, образующие литосферную плиту, движутся как единое целое от сре динных океанических хребтов к обрамляющим океаны континентам (рис. 3.12). Различие в скоростях перемещения отдельных плит приводит к образованию крупных разломов между ними. При столкновении с континентами плиты, погружаясь под них, производят сильную деформацию земной коры. В более глубоких частях мантии-(под плитами, мощность которых составляет 400-600 км) существует конвективный поток вещества в противоположном направлении, который поднимается к поверхности в зоне срединных хребтов. При подъеме вещество мантии взаимодействует с океанической водой, образуя серпентинизированный перидотит,

содержащий большое количество химически связанной воды. Этот серпентинизированный слой, образуя плиту, перемещается к континентам и,

погружаясь под них, десерпентинизируется с выделением большого количества воды, которая возвращается в океан.

Круговорот воды, связанный с серпентинизацией и десерпенти-низацией перидотитов, по взгляду А.Н. Павлова, не является единственной составляющей геологического круговорота. Литосфера океанического типа содержит 1,8·1023г свободной и физически связанной воды,

Рис. 3.12. Мантийно -оке аниче ский круговорот воды:

1—

океаническая кора; 2 — литосфера; 3 — континенталь ная литосф ерная плита; 4 — осадочные породы; 5 — базальтовая магма в зоне спрединга; 6 — гранитоидные интрузии; 7

— направление движения воды

86

которая в соответствии с моделью плитной тектоники перемещается вместе с корой в сторону континентов и погружается под них на участках глубоководных желобов. Предполагается, что одна часть этой воды принимает участие в формировании гранитной коры континентов и

возвращается в океан через климатический круговорот лишь при выходе этой коры на поверхность материков или вулканические жерла. Другая часть

может вовлекаться в обратные подкоровые течения и возвращаться в океан в зонах срединных океанических хребтов через подводные извержения магм.

Точка зрения А.Н. Павлова разделяется далеко не всеми исследователями. Так, американский ученый Г. Хесс и русские ученые А.С. Монин, Ф.А. Летников, Е.В. Пиннекер и другие считают, что серпентинитовый слой океанической коры образуется не в результате взаимодействия поднимающейся магмы с океанической водой, а в результате воздействия на перидотиты и дуниты ювенильных флюидов. Последние могут подниматься к поверхности либо по всей площади литосферной плиты, либо только в рифтовых зонах, которые формируются в центральной части срединных океанических хребтов.

Но и это не все. В последние годы геодинамика Земли развивается быстрыми темпами, возникают принципиально новые идеи,

разрабатываются новые подходы, сменяются парадигмы [3, 15, 21]. Так, используя новые данные сейсмической томографии, детально рисующие

трехмерное строение глубоких недр Земли, японские исследователи С. Маруяма, М. Кумазава, С. Каваками и другие выделяют три главные зоны или области в разрезе Земли (рис. 3.13): 1) кору и верхнюю мантию (тектоносферу); 2) нижнюю мантию (плюмтектонику); 3) ядро Земли (тектонику роста или тектонику ядра).

Указанными исследователями, что поддерживают и русские специалисты (Н.Л. Добрецов, М.И. Кузьмин, А.Г. Кирдяшкин, Ю.М. Пущаровский, В.Е. Хаин и др.), ведущее значение придается погружению холодных литосферных пластин в зонах субдукции, что рассматривается как естественное следствие существования Земли в холодном космическом пространстве и, очевидно, ее векового охлаждения. Холодные пластины погружаются первоначально да границы верхней и нижней мантии примерно на 670 км и здесь какое-то время (100-400 млн. лет) находятся в состоянии

относительного покоя, пока не наступает катастрофический гравитационный коллапс, вызывающий погружение пластины уже до

границы мантии и ядра. Этому коллапсу способствует эндотермическая природа фазового перехода на границе 670 км. Наступающее вследствие коллапса взаимодействие холодной пластины с внешним ядром имеет два важных следствия. С одной стороны, оно вызывает охлаждение внешнего ядра и порождает в нем нисходящий вихрь, уносящий железо и никель во внутреннее ядро, которое благодаря этому испытывает разрастание. С другой стороны, оно провоцирует возникновение компенсационного восходящего течения на грани-

87

Рис. 3.13. Схема глубинного строения Земли. ПоС .Маруяме. Стрелками показ ано дв ижение веществ а, включая воду.

це ядро — мантия, которое порождает плюм, достигающий границы нижней и верхней мантии и здесь, так же как и холодный плюм, испытывающий

задержку, а затем прорывающийся вверх. В современной картине Земли С. Маруяма и его коллеги различают один крупный нисходящий холодный суперплюм под Центральной Азией и два восходящих суперплюма — под южным Тихим океаном и под Африкой. Таким образом, в нижней мантии, а фактически и в переходной зоне, к верхне й мантии навстречу друг другу на определенном расстоянии движутся колонны охлажденного и разогретого вещества, т.е. конвекция реализуется в форме адвекции.

Следовательно, в соответствии с этой силой, вода вместе с литосферными

пластинами может погружаться до ядра и затем снова возвращаться в земную кору. Возможно, конечно, что большая часть воды при погружении

"выплавляется" и значительна раньше покидает литосферную пластину. Все эти вопросы только поставлены и требуют специального изучения.

Недостаточная ясность механизмов, масштабов и сути мантийноокеанического круговорота воды не позволяет относить его к разряду самостоятельных. Поэтому лучше рассматривать его одним из

88

циклов геологического круговорота, который по своей сути, вероятно, является все же океаническим.

3.3.2. Отличие геологического круговорота воды от климатического

Давайте теперь сравним два важных круговорота воды, имеющих место в

недрах земли, — климатический и геологический, разберемся, в чем их общность и различие. Объединяет их, как уже говорилось в начале

главы, единый источник воды — моря и океаны, который обусловливает начало того и другого. Различия же сводятся к следующему.

1.Разный источник энергии движения воды. В климатическом круговороте — это солнечная энергия, в геологическом — энергия земных недр, природа и источники которой до сих пор окончательно не установлены.

2.Принципиально различный механизм движения воды в горных породах.

Если в случае климатического круговорота вода заполняет уже

существующие пустоты и поры горных пород и в них перемещается под действием сил гравитации от участков с более высоким уровнем воды к

участкам с более низкими его отметками, то в случае геологического круговорота картина совершенно иная. Вода захватывается горной породой

сжатия породы к участкам меньшего ее уплотнения.

В дальнейшем, когда в геологический процесс включается физически связанная вода, картина движения воды еще более усложняется. Оно

становится невозможным без разрушения в той или иной форме кристаллической решетки минерала. Следовательно, движение воды в

геологическом круговороте нельзя свести к какой-либо одной физической

форме, оно многообразно и по своей сути является геологическим в отличие от свободной фильтрации, характерной для климатического круговорота.

3. Разная направленность изменения фазового состояния воды. Если

климатический. круговорот невозможен без перехода воды в парообразное состояние с последующей ее конденсацией, то геологический невозможен без

перехода подавляющей части воды через физически связанное состояние.

4. Формирование генетически разных подземных вод. Климатический круговорот формирует на земле пресные воды инфильтрационного генезиса,

значительная часть которых проникает в землю, образуя зону

маломинерализованных растворов, создающих основу для жизни человека. Геологический круговорот формирует ветвь соленых вод

седиментационного генезиса, определяющих ход мно-

89

гих новых геологических процессов и явлений, также необходимых для жизни человека. Геологический круговорот, захороняя в больших объемах морские

соленые воды, обеспечивает в какой-то мере жизнь "былых морей" в земных

недрах и способствует распространению морских вод на континенты. Тем самым создается генетическое разнообразие подземных вод в недрах

Земли.

5. Гидродинамика формирующихся бассейнов различна. В случае климатического круговорота вода в порах горных пород не испытывает

механического давления стенок, так как находится под действием только

собственного веса, на какой бы глубине вода не находилась. Гидродинамическая система в этом случае — своеобразный водопровод,

"трубы" которого повсюду пронизывают водоносный горизонт, но которые

связаны между собой гидравлически.

Иная ситуация складывается в процессе геологического круговорота. В этом случае вода практически всегда испытывает в той или иной мере

давление стенок горной породы. Ведь для того, чтобы выдавить воду из породы, необходимо создать то или иное избыточное давление. Поэтому

наличие избыточного давления, т.е. превышающего собственный вес воды, —

это естественное состояние гидродинамических систем, формирующихся в процессе геологического круговорота. Все это сказывается и на характере

формирующихся водообменных систем.

6. Разное направление движения воды. Климатический круговорот обеспечивает подъем воды с океана в атмосферу, перенос ее на континент

и нисходящее движение в горных породах от высоких отметок поверхности к

более низким. Геологический круговорот захватывает воду и перемещает ее в обратном направлении — вниз относительно морского дна. Затем под

давлением вода перемещается из погружающихся частей бассейна в

боковые его структуры, включая континент , и по зонам разломов движется к дневной поверхности навстречу фильтрационному потоку.

7. Гидрогеохимическое различие формирующихся водообменных систем

(см. гл. 5). Здесь лишь отметим, что направленность и механизмы, а значит, и геологический результат всех геохимических процессов в этих двух

геохимическую среду, контролирующую ход геологических процессов.

3.4. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ВОДЫ ЗЕМНЫХ НЕДР

Рассмотренный выше круговорот воды позволяет лучше уяснить происхождение конкретного типа подземных вод в недрах земли. Вместе с

тем он не проясняет проблемы генезиса самой воды, как важнейшего компонента земли, а без этого трудно понять и становление подземной

гидросферы. Поэтому в начале остановимся на проблемах первоисточников воды.

90

3.4.1. Современные представления о происхождении воды

Как справедливо отмечает Е.В. Пиннекер, современные представления о первоисточниках воды на Земле сложились в середине XX в. благодаря

работам А.Ч. Лейна, В.И. Вернадского, Б.Л. Личко-ва, В. Руби, Н.М. Страхова, Д. Калпа, А.П. Виноградова, Л.А. Зенкевича, Ф. Кюнена, Г. Хесса,

В.Ф. Дерпгольца, В.И. Ферронского и многих других. Все исследователи

признают, что возникновение гидросферы неразрывно связано с происхождением и развитием Земли как планеты, исходным веществом для которой послужило

газопылевое облако космического происхождения. Однако одни из них (В.

Гольдшмидт, Г. Джеффрис, В.Г. Фесенков и др.) считают, что протопланетное облако изначально было горячим, другие (В.И. Вернадский, О.Ю. Шмидт, Р.

Руби, А.П. Виноградов, Н.М. Страхов и др.) полагают, что оно было

холодным.

По второй точке зрения разогрев Земли произошел позже и сопровождался дифференциацией ее на земные оболочки, одна из которых и есть гидросфера.

Она возникла практически одновременно с дунитами и базальтами в результате направленного выплавления и необратимой дегазации вещества

мантии, состав которой соответствует составу исходного газопылевого

облака. Механизм разделения исходного вещества на газы (атмосфера), воду (гидросфера) и разные по составу горные породы (литос фера) А.П.

Виноградов [2] уподобляет зонному плавлению.

Основная масса продуктов дегазации мантии была образована, вероятно, на заре геологической истории Земли, в первые сотни миллионов лет, т.е. 4-5

млрд. лет назад. Продукты дегазации через образовавшуюся кору стали

проникать на поверхность Земли в виде газов и воды. Вследствие слабого расчленения рельефа водная масса покрывала почти всю поверхность

Земли, т.е. первичный океан был истинно Мировым, но отличался гораздо

меньшей глубиной. Согласно расчетам П.Н. Кропоткина, в архее появилось примерно 90% объема гидросферы и только 10% — в последующие

геологические эпохи. С этих позиций океан на Земле является древним,

развитие земной коры идет по пути наращивания материков и переработки океанической коры в континентальную.

Так рисуется картина появления воды на Земле сторонниками изначально

холодной планеты. Они считают, что вся вода на Земле изначально является ювенильной, т.е. первозданной, синтезированной из водорода и кислорода,

поступивших из мантии, которая выступает важнейшим генератором

природных вод Земли. В мантии, по расчетам А.П.Виноградова, содержится 20·1018 т воды, из которых от 7,5 до 12,5% уже мигрировало в земную кору и

Мировой океан. При этом на формирование свободной воды израсходована

большая часть мантийной воды, меньшая — связана горными породами земной коры, в том числе океанической корой на серпен-тинизацию основных пород.

91