Подземная гидросфера

КАК ПОЯВИЛИСЬ РАСТВОРЕННЫЕ В ВОДЕ ВЕЩЕСТВА

Каким образом сформировался состав подземных вод. Когда говорят о генезисе подземных вод, принято различать две группы вопросов: родословную собственно воды как материального тела и формирование состава подземных вод. На первой из них мы уже останавливались. Если она представляет в этом клубке проблем «количественную» сторону, то вторая будет, скорее всего, «качественной» стороной. Обе группы вопросов тесно связаны и неотделимы друг от друга, что уже было показано, когда мы рассматривали происхождение подземной гидросферы. Но в известной мере они имеют и самостоятельное значение, так как растворитель и растворенные в воде вещества на протяжении геологической истории претерпевают отнюдь не сходное развитие.

Вода земных недр содержит многие химические элементы в виде ионно-солевого комплекса, газов, органического вещества, коллоидов. Это могут быть ультра-пресные или рассольные воды различного ионно-солевого состава, содержащие углекислый газ, метан, сероводород и т. д. Столь разнообразный состав формируется в результате взаимодействия с веществом земной коры или привноса из других геосфер. Характер этого взаимодействия академик В. И. Вернадский изобразил в виде равновесной системы

вода ⇄  порода ⇄ газ ⇄ живое вещество.

Растворенные вещества попадают в подземную гидросферу или 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 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 меньших радиусов. С ней связаны доломитизация известняков, альбитизация плагиоклазов или анальцимизация цеолитов, за счет чего подземные воды глубоких горизонтов обогащаются кальцием. Некоторые исследователи этими реакциями объясняют образование хлоридных кальциевых рассолов.

Окислительно-восстановительные и биогеохимические реакции сильно преобразуют растворенные вещества. Обе реакции взаимосвязаны, так как окисление или восстановление почти всегда происходит с участием органических продуктов, и наоборот, биогеохимические процессы имеют в своей основе окислительно-восстановительные реакции.

Окисление интенсивно протекает в верхних горизонтах и сопровождается выделением значительного количества тепла, в итоге подземные воды обогащаются газами, сульфатами, металлами, а в осадок выпадают, например, соединения железа или сера. Хорошими окислителями, кроме кислорода, являются элементы, способные принимать электроны (трехвалентное железо, четырехвалентный марганец). Окислению способствуют микроорганизмы.

Восстановительные реакции характеризуются недостатком или отсутствием кислорода. Восстановительная среда может быть сульфидной (сероводородной) и глеевой (бессероводородной). Первая приводит к биогеохимическому разложению сульфат-иона с образованием сероводорода, углекислоты и гидрокарбонат-иона; во второй образуются железистые воды, осаждаются марганец, медь, уран.

Источником энергии биогеохимических процессов служат органические вещества. Сами по себе они хорошие восстановители. Движущая сила таких реакций — бактерии. Широкая гамма аэробных (нуждающихся в кислороде) и анаэробных (обходящихся без него) бактерий воздействует на органику, поэтому в подземные воды переходят различные продукты ее разложения — кислоты, спирты, фенолы, элементоорганические соединения, углеводороды, а их взаимодействие с подземными водами вызывает удаление веществ, которые образуют с ними соединения.

Радиоактивный распад как процесс, формирующий состав подземных вод, еще нельзя оценить в полной мере, но несомненно, что благодаря ему происходит воспроизводство или поглощение радиоактивных элементов подземных вод (урана, радия, тория, радона, торона). С этим же процессом связано появление в подземных водах гелия.

Группа процессов, вызванных добавлением или удалением молекул воды (см. табл. 8), отличается коренным образом от только что описанных. Сюда прежде всего относятся гидратация и дегидратация минералов. Если гидратация, то есть захват свободной воды минералами, характерна преимущественно для верхней зоны и способствует концентрированию растворенных веществ, то дегидратация происходит исключительно в глубоких горизонтах и, вызывая обезвоживание пород, действует опресняюще на подземные воды. Гидратация вызывает концентрирование растворенного вещества. Однако эффект концентрирования мало заметен из-за высокой подвижности подземных вод в верхней зоне. О роли дегидратации упоминалось: это переход в свободное состояние почти дистиллированной воды.

Подземное испарение и вымораживание — процессы, приводящие к концентрированию подземных вод вплоть до выпадения растворенного вещества в осадок. Однако оба они не имеют регионального значения, хотя местами играют важную роль: испарение — в аридной зоне, вымораживание — в условиях ледового климата.

В начальной стадии этих процессов удаляются кремнистые соединения и карбонаты. При вымораживании раствор приобретает специфический состав, когда магний становится преобладающим катионом: удаление магния происходит после выпадения доломита. На следующих стадиях концентрирования раствор обогащается сульфатными и хлоридными солями. В процессе вымораживания подземных вод попутно с увеличением минерализации происходит сложное взаимодействие остающейся Жидкой фазы с породами — такое преобразование состава подземных вод называют криогенной метаморфизацией.

Наконец, о фильтрационном и осмотическом эффектах, которые получили обобщенное наименование мембранных. Суть их заключается в том, что при фильтрации подземных вод через породы с различной проницаемостью на мембранах, то есть породах с пониженной проницаемостью, имеет место отсеивание ионов и солей. Мембранные эффекты наиболее вероятны в случае рассеянной разгрузки подземных вод через глинистые водоупоры, но у многих исследователей они вызывают сомнение.

Природные обстановки формирования состава подземных вод. В природе, как известно, все взаимосвязано. Причины — факторы, вызывающие изменение состава подземных вод, и следствия — процессы, его создающие, проявляются в разнообразных сочетаниях и последовательности. На примере процессов хорошо видно, как часто один из них стимулирует и вызывает или, наоборот, подавляет другие. Цельное представление о формировании состава подземных вод можно получить лишь тогда, когда факторы и процессы рассматриваются с учетом генетического типа и генетического цикла подземных вод применительно к конкретным физико-географическим, геологоструктуриым и термодинамическим обстановкам.

О генетических типах подземных вод уже шла речь (см. рис. 9). Когда мы говорили о круговороте воды (см. рис. 5), упоминали и генетические циклы. Теперь суммируем имеющуюся информацию.

Генетический цикл — совокупность геологических процессов и их последовательность. Применение этого понятия позволило выдающемуся советскому гидрогеологу Г. Н. Каменскому еще в 40-х годах привести представления о формировании подземных вод в стройную систему и наметить следующие генетические циклы подземных вод:

инфильтрационный, или континентальный, связанный с инфильтрацией атмосферных осадков и комплексом процессов, идущих в верхних горизонтах;

морской, или осадочный, вызванный захоронением морских вод в процессе осадкообразования и дальнейшим их преобразованием;

метаморфический и магматический, связанные с формированием глубинных вод (гидротерм, возрожденных, ювенильных); иногда эти два цикла выделяют в один — вулканогенно-гидротермальный.

Для обособления конкретных обстановок формирования состава подземных вод следует принять во внимание приведенную ранее их классификацию (см. табл. 7) и учесть воздействие на подземную гидросферу двух разнонаправленных начал — поверхностного (экзогенного) и глубинного (эндогенного). Тогда мы получим различные природные обстановки, в которых проявляются факторы или действуют процессы. С известной долей условности по главным обстановкам выделяются следующие разновидности подземных вод:

грунтовые воды — формирование состава зависит исключительно от поверхностного начала, главным образом физико-географических условий;

напорные воды артезианских бассейнов — в этом случае превалируют геологоструктурные особенности, преимущественно наличие резервуаров пластового типа;

напорные воды гидрогеологических массивов — здесь также влияют прежде всего геологоструктурные условия, в особенности наличие резервуаров трещинного типа;

подземные воды территории распространения многолетнемерзлых пород — формирование состава определяется низкими (большей частью отрицательными) температурами;

подземные воды районов современного вулканизма — формируются под влиянием термодинамических условий, но на сей раз с высокими значениями температуры и давления;

глубинные воды — как показывает название, формирование их состава происходит под воздействием глубинного начала (выноса вещества из мантии, внутренних напряжений, геостатического давления и т. п.);

подземные воды под морями и океанами — тут ведущее значение имеет специфика субмаринных условий.

Обстановка формирования состава каждой из перечисленных разновидностей подземных вод детализируется в зависимости от ведущих факторов и процессов, а также других особенностей природной среды. Так, для грунтовых вод, следуя основным процессам, можно различать воды, в формировании которых превалирует выщелачивание, континентальное засоление (испарение) либо вымораживание. Обстановка формирования состава цапорных вод артезианских бассейнов нуждается в разграничении по литолого-фациальным особенностям пород, интенсивности переноса растворенных веществ и термодинамическим факторам, поскольку как раз эти показатели чаще всего играют основную роль в образовании вод различной минерализации и состава. Аналогичным образом возможна детализация и других главных обстановок.