Подземная гидросфера

СКУЛЬПТОР ЗЕМНОЙ КОРЫ

Роль воды в жизни Земли чрезвычайно многогранна. Любой геологический процесс так или иначе связан с водой. Без нее они не протекают ни вблизи земной поверхности, ни на больших глубинах.

Созидающе-разрушительная геологическая деятельность воды давно интересует как геологов, так и специалистов других отраслей знаний. Если до недавнего времени наши сведения на эту тему ограничивались главным образом общими данными относительно участия воды в некоторых геологических процессах, то за последние 20–30 лет отношение к ним изменилось. Что же произошло? Во-первых, получена информация, показывающая роль воды буквально во всех геологических процессах; во-вторых, ее появление и жизнь в недрах Земли приобрели историческую основу и — это, пожалуй, главное — в-третьих, геологическая деятельность воды стала изучаться с помощью новых приемов, которые позволили в ряде случаев получить количественные параметры.

Стоит оглянуться вокруг, и мы сразу заметим результаты геологической деятельности воды. Если горы и долины, возвышенности и низменности «отшлифованы» поверхностными водами, то работа подземных вод проявляется в образовании карстово-провальных, мерзлотно-вспученных или оползневых форм рельефа, обязанных механическому и химическому выносу частиц горных пород. Благодаря подземной химической денудации, поверхность Земли, как подсчитал московский гидрогеолог В. П. Зверев, снижается в среднем на сантиметр каждые 2000 лет.

Особенно велика роль воды в эволюции земной коры. Тут вода отличается, применяя выражение В. И. Вернадского, «всюдностью». Она формирует осадочный и другие слои, регулирует чуть ли не все геологические процессы, создает и разрушает месторождения полезных ископаемых. Она меняет все окружающее, поэтому полезно выявить ее роль в различных геологических процессах. Попытаемся это сделать «сверху вниз», начиная с приповерхностных и кончая глубинными процессами.

Вода в гипергенных процессах. Гипергенез — совокупность приповерхностных процессов, протекающих в верхней части земной коры при низких температурах и давлениях. Значение подземных вод особенно наглядно видно в выветривании и цементации горных пород. В итоге геохимической деятельности воды зона гипергенеза оказалась полностью переработанной: разрушены минералы глубинного происхождения и образованы новые минеральные ассоциации, устойчивые в верхних частях земной коры.

Подземные воды — агент химического выветривания (денудации) и последующего выноса продуктов разрушения. Величина подземной химической денудации, по расчетам В. П. Зверева, имеет минимальные значения на кристаллических щитах, где характеризуется интенсивностью 0,05–0,2 сантиметра за 1000 лет. Чуть выше она на платформах и еще выше в горно-складчатых областях. Максимальные значения подземной химической денудации отмечены для области альпийской зоны складчатости (1 сантиметр и более за 1000 лет), однако при наличии многолетнемерзлых пород цифры уменьшаются в 1,5–2 раза.

Весьма интересной разновидностью подземной денудации является карст. Карстовые пещеры, воронки и другие пустоты самой причудливой формы хорошо известны. Вода создала их в породах, подверженных выщелачиванию. В зависимости от состава пород различают карбонатный, гипсовый и соляной карст. Если принять растворимость известняка за 1, то соотношение растворимости известняка, гипса и каменной соли будет 1: 158: 27 477.

Это соотношение вычислил ленинградский профессор А. И. Дзенс-Литовский — прекрасный знаток соляных месторождений и соляного карста. Составленный им типовой разрез месторождения с соляным карстом (рис. 13) дает наглядное представление о выщелачивании залежи каменной соли.

Рис. 13. Типовые гидрогеологический разрез закарстованного месторождения каменной соли.

1 — уровень грунтовых вод; 2 — современные карстовые пустоты, 3 — древние карстовые пустоты; 4 — каменная соль; 5 — водоносные горизонты; 6 — водоупорные породы.

Подземные воды: I — надсолевые, II — современных карстовых пустот, III — боковые, IV — древних карстовых пустот, V — подсолевые.

…Память невольно возвращает в недавнее прошлое, когда был жив Алексей Иванович. Хотя ему шел уже девятый десяток, он много работал, в частности писал воспоминания «Встречи геолога», и любил ездить — в течение года мог побывать на Дальнем Востоке и в Средней Азии, на Урале и Кавказе, часто посещал Байкал. И когда кто-либо удивлялся его работоспособности и подвижности, в ответ он читал стихи:

За свою долгую жизнь этот человек многое повидал и очень интересно рассказывал о пережитом. С трудом верилось, что он знал дореволюционный Геолком, был свидетелем бурного 1917 года в Петрограде, начинал работать в Академии наук под руководством А. Е. Ферсмана и Н. С. Курнакова. Часто любил вспоминать А. П. Карпинского, В. И. Вернадского, И. П. Губкина… Не менее увлекательно звучали рассказы, скажем, о первых шагах в геологии нынешнего вице-президента АН СССР А. Л. Яншина, который в 30-х годах работал коллектором у Алексея Ивановича, а также о встречах с другими крупными исследователями в их молодые годы.

Диапазон исследований Дзенс-Литовского был достаточно широк, но больше всего его занимало изучение гидрогеологии месторождений каменной соли, соляного карста и соляных озер. Последние его книги так и назывались — «Соляной карст СССР», «Соляные озера…», «Кара-Богаз-Гол». Надо сказать, что вместе с Н. И. Толстихиным он составил в 1937 году первую карту минеральных вод СССР. На протяжении ряда лет Алексей Иванович работал и жил в Сибири (Западной и Восточной), а в последние годы активно участвовал в проведении совещаний по подземным водам Сибири и Дальнего Востока.

По интенсивности водной миграции в зоне гипергенеза, как установил академик Б. Б. Полынов, химические элементы образуют несколько рядов водной миграции, что как раз и объясняет различную растворимость указанных выше пород. Энергично выносятся хлор, бром, сера. Меньше интенсивность выноса из пород у натрия, кальция, магния, фтора. Еще менее подвижны калий, кремний, фосфор, марганец. Наконец, такие элементы, как, скажем, титан или цирконий, практически инертны по отношению к водной миграции.

Что же из этого следует? Анализ показывает, что в зоне гипергенеза сохраняются залежи наименее подвижных элементов. Наоборот, скопления энергично выносимых элементов разрушаются подземными водами, при этом элементы мигрируют не изолированно, а в соединениях друг с другом. Когда, скажем, выносится хлор, то одновременно уходит и эквивалентное количество натрия.

Из других гипергенных процессов, в которых вода играет ведущую роль, можно назвать биогеохимические и мерзлотные. Совершенно особый процесс в зоне гипергенеза — упомянутая уже хозяйственная деятельность человека. С точки зрения гидрогеолога он обусловлен, во-первых, закачкой воды в недра и, во-вторых, извлечением ее оттуда.

О последствиях первого процесса мы уже говорили, поэтому коснемся лишь геологических последствий извлечения воды из недр Земли.

Опускание территории и даже подъем уровня мирового океана — таков неутешительный итог все прогрессирующего отбора подземных вод. Это, вероятно, наиболее важный результат непреднамеренного воздействия человека на геологическую среду.

Глубина депрессионных воронок вокруг некоторых городов и горно-промышленных центров превышает 50– 100 метров. Снижение уровня воды порождает оседание земной поверхности. Но имеется и другой, пожалуй, неожиданный аспект этой проблемы — подъем уровня океана. Согласно подсчетам доктора геолого-минералогических наук И. Г. Киссина, за последние полстолетия подземные воды обеспечили 20 % прироста уровня воды Мирового океана (0,36 миллиметров в год от ежегодного повышения на 1,7 миллиметра).

Оседание поверхности из-за прогрессирующего отбора подземных вод особенно наглядно наблюдается на участках распространения рыхлых отложений, которые в черте крупных городов уплотняются затем под действием зданий и сооружений. Таковы, например, основания городов Мехико, Токио или Венеции, откуда длительное время откачиваются подземные воды. В Мехико осадка грунта достигла 6–8 метров. Для наглядности в городе сохраняется облицовка колодцев, построенных еще ацтеками, — они торчат на 5–6 метров выше современной поверхности. Но хуже всего, пожалуй, дело обстоит в Венеции. Над ней нависла угроза быть затопленной морем, если не прекратится неумеренная эксплуатация месторождения подземных вод, находящегося буквально под самым городом.

Роль воды при литогенезе и метаморфизме. Осадочное породообразование, называемое литогенезом, начинается с выпадения рыхлого осадка в водоеме и заканчивается его превращением в кристаллическую породу. На всех стадиях литогенеза и продолжающего его метаморфизма осадок и порода испытывают воздействие воды. По существу, осадочное породообразование заключается в высвобождении связанной воды по мере роста глубины и увеличения давления. В случае превращения ила в глинистый сланец количество воды уменьшается от 90 до 1% и менее.

Характер преобразования породы определяется стадиями литогенеза, которые называются диагенез, катагенез и метагенез. Они последовательно сменяют друг друга по мере погружения породы.

Диагенез — дословно «перерождение», то есть превращение рыхлого осадка в плотную породу с полной потерей иловых и отчасти поровых вод. При взаимодействии осадка с подземными водами происходят сложные процессы растворения неустойчивых соединений, выделение минералов из подземных вод, обменно-адсорбционные реакции, гидратация и дегидратация минералов, перекристаллизация солей и цементация осадка. На диагенез существенно влияют биогеохимические процессы и окислительно-восстановительная среда подземных вод.

Если диагенез характерен для приповерхностных условий, то катагенетические (ката- «вниз») изменения — это те, которые вызваны увеличением давления (от 100 до 500 атмосфер и более) и температуры (от 50 до 200°). Что же получается? Происходит сильное обезвоживание породы путем удаления как поровой, так и кристаллизационной воды. На этой стадии порода еще не утратила черты нормального осадочного образования, но слабее испытывает влияние внешнего поверхностного воздействия. Геохимическая деятельность подземных вод выражается в образовании новых минералов и разложении достаточно стойких химических соединений; в раствор переходят даже малоподвижные элементы, многие соли и газы — углекислота, сероводород, метан.

Метагенез (мета — «после») — протекает на больших глубинах, где с породами взаимодействуют газово-жидкие растворы. Под действием высоких давлений (до 1500 атмосфер и более) и температур (200–450°) происходит структурная переработка осадочных пород, в которых остается прочно связанная с породой вода. Влияние газово-жидких растворов находит отражение в окварцевании, мраморизации, а также перекристаллизации пород.

С литогенезом связаны осадочное рудообразование и формирование нефтегазовых залежей. И тут, как будет далее показано, ведущая роль принадлежит воде!

Метаморфизм — комплекс высокотемпературных изменений горных пород — происходит только с участием воды. Он придает породам кристаллическое состояние. Вода при этом присутствует «в избытке»; если же ее нет, как считают многие знатоки метаморфизма, процесс прекращается. Более того, каждому типу метаморфизма присущ отличный от другого характер взаимодействия в системе порода — вода.

При метаморфизме пород вода выполняет важные функции, которые академик В. И. Смирнов сводит к следующему. Во-первых, пары воды развивают высокое давление, обусловливая соответствующее течение этого процесса. Как показал академик Д. С. Коржинский, не масса воды, а вызываемое ею давление играет ведущую роль в возникающей ассоциации минералов и тем самым определяет стадию минералообразования. Во-вторых, она понижает температуру самого процесса. В-третьих, многократно ускоряет ход преобразования пород; в сущности, вода — катализатор всех этих реакций. В-четвертых, увеличивает кристаллизационную способность минералов, то есть ускоряет их выделение. Наконец, в-пятых, выступает в роли активного растворителя химических соединений, участвующих в метаморфизме.

Описанным процессом охвачены громадные массы осадочных и магматических пород. В общей сложности, согласно подсчетам академика А. В. Сидоренко и его учеников, за геологическую историю Земли при метаморфизме высвобождено количество воды, равное по массе объему наземной гидросферы.

Однако процесс последовательного преобразования пород заключается не только в высвобождении воды. Имеет место и обратная картина — вовлечение подземных вод метеорного, магматического или морского генезиса в породообразование. В частности, оно наблюдается и подтверждено изотопными исследованиями для так называемого регрессивного метаморфизма.

Деятельность воды в магматическом цикле. Как и при метаморфизме, вода активно участвует в магматических процессах. Обладая высоким потенциалом энергии, она сильно влияет на фазовые равновесия в магматических системах и физические свойства силикатных расплавов, в связи с чем играет самую ответственную роль при образовании и дифференциации магмы.

Функции воды в магматическом цикле таковы. Во-первых, опа, о чем только что говорилось, является одним из главных энергетических источников магматизма. Во-вторых, присутствие воды — наиболее вероятная причина плавления мантийного вещества. В-третьих, вода вызывает существенное изменение физических свойств магмы, влияя тем самым на ее подвижность и реакционные свойства: добавление ее снижает вязкость и повышает интенсивность массопереноса. В-четвертых, она представляет основной летучий компонент, резко понижающий температуру плавления силикатных пород. В-пятых, определяет последовательность кристаллизации магмы и состав выплавок. Наконец, в-шестых, изменяет течение процесса в случае проникновения ее в магму из боковых пород.

Вопрос о количестве воды в магматическом расплаве дискуссионен. Некоторые исследователи, в том числе известный вулканолог Г. Тазиев, склонны считать магму безводной. Однако в магме почти всегда обнаруживают воду. Скорее всего, она появляется еще в магматическом очаге, при этом на больших глубинах магма поглощает воду, а в верхних горизонтах, наоборот, обезвоживается. Магмы различного состава отличаются по содержанию воды: основная магма, где мало кремнекислоты, содержит ее 0,1–1%, редко 3–4 %, а кислая, которая обогащена кремнекислотой, — значительно больше (4–10 %).

Ранее мы обращали внимание на высокую, намного превышающую обычную, растворимость воды в глубоких частях земной коры. Снизу вверх она постепенно снижается. Поэтому поднимающиеся рудоносные растворы, независимо от происхождения, по мере снижения температуры и давления сбрасывают «рудный груз». Интервал глубин 1–4 километра, где происходит выделение минералов из горячих водных растворов, принято называть поясом гидротермального рудообразования, а связанные с ним месторождения — гидротермальными.

Источник химических соединений, переносимых гидротермальными растворами, не обязательно заключен в магме. Как уже отмечалось, наряду с ювенильной водой магматический расплав содержит воду, заимствованную из окружающих пород на ранних стадиях внедрения, то есть метаморфогенную, инфильтрогенную и седиментогенную. Поэтому химические элементы в той или иной мере поставляются вмещающими магму породами.

Водяной пар высвобождается из магматического расплава вместе с другими летучими компонентами на различных уровнях существования магматического расплава, по мере его подъема. Взаимодействие в системе вода — магма имеет сложную историю и во многом не ясно, но минералообразующая роль газово-жидких растворов, выделяемых при магматизме, не вызывает сомнения. Отсюда и название месторождений: пневматолитовые — из газовой фазы и в какой-то мере уже упомянутые гидротермальные — из жидкой фазы. Это месторождения железа, марганца, серебра, золота, ртути, сурьмы, меди, цинка, свинца, молибдена, кобальта, вольфрама, висмута, олова, урана и многих других элементов, преимущественно металлов. Перечисленные элементы переносятся в соединениях с хлоридами, фторидами, гидрокарбонатами, сульфидами, сульфатами и силикатами, а также в гидратной форме или в виде комплексных ионов.

Горячие источники на дне морей и океанов. Сенсационные сообщения о современной гидротермальной деятельности в последнее время стали поступать от исследователей переуглубленных зон морского и океанического ложа. Здесь были обнаружены выходы металлоносных вод с температурой до 300–3.50 °C. Такие зоны образуются в результате растяжения земной коры и представляют впадины — каньоны с отвесными стенками глубиной в несколько километров. Геологи их называют рифтами («рифт» по-английски — расселина, щель, трещина) или зонами спрединга (т. е. раздвижения). Они обычно тяготеют к тектонически ослабленным участкам срединноокеанических хребтов и окраинам океанов, хотя встречаются также на дне морей (впадины Красного моря или Калифорнийского залива) и даже на суше (например, Байкальский рифт, Верхнерейнский грабен).

Впервые выходы высокотемпературных рассолов выявлены в осевой части Красноморского рифта. Разгрузка происходит в глубоководную впадину Атлантис-2 (глубина 2170 м), откуда они переливаются в две соседние впадины — Дисковери и Чейн. В этих впадинах со скоростью 0,4 сантиметра в год выпадают металлоносные осадки, образующие богатые месторождения руд свинца, цинка, меди, марганца, железа. По подсчетам специалистов общие запасы их только во впадине Атлантис-2 оцениваются в 83 миллиона тонн.

Еще более интересной оказалась современная гидротермальная деятельность в окраинных частях Тихого океана, особенно в гребне Восточно-Тихоокеанского поднятия на участке к югу от входа в Калифорнийский залив. Мощные струи горячих (с температурой до 350 °C) вод здесь выходят на дне океана и связаны с неглубоко залегающими магматическими очагами. Разгрузка фиксируется в виде «черных дымов» и «черных курильщиков».

Рис. 14. «Черный курильщик» в месте выхода горячих источников на океаническом дне.

Что это такое? Черные дымы обязаны своим появлением выпадению из охлаждающегося гидротермального раствора черных по цвету частичек сульфида железа (рис. 14). Над выходом горячих струй образуется «труба» диаметром около 1,5 метров и высотой в несколько метров. Ее-то и называют «черным курильщиком». Ее горловина формируется из сульфата кальция (ангидрита), который осаждается на океаническом дне в месте выхода гидротерм. По мере роста нижняя часть трубы подвергается воздействию неразбавленного горячего раствора и сульфат кальция замещается на сульфиды металлов. Иссякает и «черный дым»: в связи с окислением из него выпадают металлоносные осадки.

Акванавт-исследователь Д. М. Эдмонд, увидав из иллюминатора глубоководного аппарата поле «черных курильщиков», назвал его сказочным зрелищем. Внутри круга диаметром в 100 метров океаническая вода поблескивала в свете прожекторов и высвечивала удивительный животный мир (пурпурные актинии, гигантские двустворки, крупные розовые рыбы и т. д.), а горячая вода струилась из каждой расселины, и над выходами курился черный шлейф. Зрелище было настолько увлекательным и интересным, что этот чудесный оазис на фоне унылого базальтового ландшафта океанического дна исследователи изучали, по их словам, в состоянии, близком к помешательству.

Разгрузка горячих вод на дне Тихого океана отмечена также у берегов Южной Америки в районе Галапагосских островов и западнее Марианской островной дуги. Будущие исследования, несомненно, позволят обнаружить и другие участки черных дымов.

Подземная гидросфера и сейсмичность. Исследования на стыке гидрогеологии и сейсмологии в последнее время привлекают все возрастающее внимание. Они рассматривают роль воды в образовании землетрясений и при поисках их гидрогеологических предвестников. Насколько все это реально?

Вода, оказывается, регулирует тектонические процессы. Американские ученые М. К. Хабберт и В. Руби выявили, что при дегидратации минералов давление воды в порово-трещинном пространстве глубоких горизонтов нейтрализует геостатическую нагрузку и вызывает активизацию внутреннего давления. Так могут возникнуть не только небольшие подвижки, но и гигантские перемещения пород по пологим сместителям — надвигам.

С отмеченным явлением может быть связано образование сейсмических дислокаций и появление землетрясений. Уже крайне небольшие добавки воды на 1–2 порядка ускоряют деформационный эффект. И. Г. Киссин приписывает ей роль клина, снижающего прочность пород и уменьшающего силы трения при сейсмических подвижках. Вероятно, поэтому при добавлении воды сейсмические напряжения и вызывают сотрясаемость. Поскольку очаги землетрясений — во всяком случае коровые (мелкофокусные) — локализуются в обводненных зонах разломов или узлах их пересечения, воду можно рассматривать как составную часть среды, в которой развиваются сейсмические процессы и подготавливаются землетрясения.

Впрочем, тут нужно оговориться. Не все согласны с таким мнением. Многие сейсмологи считают, что обе модели, используемые в настоящее время для объяснения механизма подготовки землетрясений, — дилатантно-диффузионная и лавинно-неустойчивого трещинообразования — могут «работать» и без воды.

С водой или без воды? Спор, кажется, разрешили так называемые возбужденные землетрясения. Они возникают в результате закачки воды через скважины в глубокие горизонты и заполнения крупных водохранилищ. Более того, с помощью таких «искусственных» землетрясений оказалось возможным потихоньку выпускать «пар из котла» и снижать естественную сейсмическую активность. В Японии — стране, которая сильнее других страдает от землетрясений, — начаты эксперименты по управлению землетрясениями путем регулируемой закачки воды в недра Земли.

Независимо от того, как подготавливаются сейсмические процессы, они оказывают очень большое воздействие на режим подземной гидросферы. Об этом люди догадывались раньше, пожалуй, еще в античную эпоху, а в последнее время изменения гидрогеодинамического, гидрогеохимического и гидрогеотермического режима стали использовать в качестве гидрогеологических предвестников землетрясений.

В сейсмоактивной области Прибайкалья вдоль «стройки века» — БАМа — с 1975 года начаты сейсмогидрогеологические исследования. Осенью 1976 года в пунктах наблюдений вдруг стали ощущаться тревожные изменения — увеличение дебита, падение и рост концентрации гелия в подземных водах… Через несколько дней произошло Уоянское землетрясение силой 6 баллов (рис. 15).

Рис. 15. Изменение концентрации гелия в воде и дебита Окусикапского источника перед Уоянским землетрясением в Северном Прибайкалье (2 ноября 1976 года).

Землетрясения вызывают изменения уровня, дебита и температуры подземных вод; хорошо реагирует на сейсмические толчки величина концентрации в воде многих растворенных веществ — радона, гелия, ртути, фтора, при сильных толчках она изменяется, порой очень сильно. Опыт изучения среднеазиатских землетрясений показал, что достаточно разветвленная сеть пунктов сейсмогидрогеологических наблюдений по характеру колебания содержания радона и гелия в подземных водах позволила бы за несколько дней предсказать отдельные разрушительные толчки. А нельзя ли землетрясения прогнозировать так же, как и погоду?

Прогнозирование сейсмической опасности относится к числу важнейших, но одновременно очень сложных и трудных проблем. Всестороннее научное обоснование прогноз землетрясений получает лишь в последние годы. Задача состоит в том, чтобы, во-первых, оконтурить место, где будут ощущаться подземные толчки, во-вторых, рассчитать максимальную их силу для отдельных пунктов и, в-третьих, определить время, когда произойдет разрушительное землетрясение. Первые два элемента прогноза — место и сила — сейчас выявляются достаточно хорошо и с удовлетворительной точностью; они находят отражение на картах сейсмического районирования. А вот определение времени землетрясения пока далеко от решения. Когда говорят о прогнозировании землетрясений, то имеют в виду прежде всего этот параметр.

Кроме гидрогеологических предвестников, существуют собственно сейсмические (по статистике землетрясений, наличию специфических форшоков[3] и областей затишья), деформационные, включая наклоны поверхности Земли, и различные геофизические (по изменению, скажем, электросопротивления горных пород или электромагнитного поля) методы прогноза землетрясений. Хорошие результаты начинает давать сейсмическое «просвечивание» земных недр.

В деле прогнозирования землетрясений сделаны только первые шаги. Нет даже сводного «портрета» предвестников, что заставляет ориентировать исследования таким образом, чтобы выяснить связь землетрясений с как можно большим количеством природных явлений.

Насколько информативны гидрогеологические показатели? Они весьма эффективны, если используются комплексно, совместно с другими методами, и учитывают по возможности максимальный набор гидрогеодинамических, гидрогеохимических и гидрогеотермических признаков. В этом случае вполне реален не только краткосрочный (дни, недели), но и долгосрочный (годы) прогноз, хотя в целом гидрогеологические предвестники наиболее ценны при предсказывании ближайших по времени землетрясений — за несколько дней или недель. Гидрогеологические предвестники способны указывать на мелкофокусные и глубокофокусные землетрясения. Что же касается расстояния, то эти показатели действенны в радиусе до нескольких сот километров от эпицентра. Они предупреждают преимущественно о сильных землетрясениях (5–6 и более баллов).

К гидрогеологическим предвестникам и вообще к прогнозу землетрясений существуют полярно противоположные отношения: иногда их чересчур идеализируют, в других случаях, напротив, полностью отрицают. Думается, гидрогеологические аномалии в сейсмических районах нельзя ни переоценивать, ни недооценивать. Ведь несмотря на ограниченные факты сейсмичность сказывается на режиме подземных вод. К тому же наблюдательная сеть пока далеко не представительна, что служит главной причиной неоднозначности любых предвестников.

Поэтому сейчас нельзя объективно оценить прогностическую роль всех тех параметров, которые здесь названы гидрогеологическими предвестниками землетрясения. Время покажет, насколько они информативны.

Вода и месторождения полезных ископаемых. Роль воды в образовании и разрушении месторождений полезных ископаемых — предмет постоянного изучения геологов, геохимиков, гидрогеологов. Подземная гидросфера, образно выражаясь, есть резервуар, в котором находятся скопления минерального сырья. Вода, с одной стороны, выступает как носитель химических элементов и при благоприятных условиях создает такие скопления, с другой — она изменяет и разрушает рудные, соляные, нефтегазовые и другие залежи.

Принимая участие во всех геологических процессах, вода несет информацию о них. Нельзя ли воспользоваться ей для выявления месторождений полезных ископаемых? Да, можно. Человек давно научился это делать.

Тезис «Каковы породы, таковы и воды» позволяет решать обратную задачу. И если применительно к формированию состава подземных вод слова Аристотеля пришлось видоизменить, то в поисковой геологии решение обратной задачи себя полностью оправдало. На принципе: «Каковы воды, таковы и породы» основан гидрогео-химический метод поисков полезных ископаемых, когда по составу подземных вод, омывающих залежи и выходящих на поверхность или вскрываемых скважинами, достаточно точно устанавливают в земных недрах неизвестное месторождение и даже определяют его контуры. Так были открыты руды Талнаха и Забайкалья, отдельные нефтегазовые месторождения Поволжья, оценены перспективы нефтегазоносности Тюменской области. Очень эффективен гидрогеохимический метод при поисках залежей горнохимического сырья, полиметаллов, радиоактивных руд.

В начале 60-х годов по инициативе академика А. Л. Яншина в Восточной Сибири были начаты поиски калийных солей с использованием различных методов. Весьма действенным оказался гидрогеохимический метод. Благодаря ему удалось оконтурить три наиболее перспективных района (рис. 16). На одном из них сразу обнаружили залежи калийных солей, но они оказались маломощными. Буровые работы стали сворачиваться. И вдруг… Такое случается редко, тем более спустя 15 лет: во втором по перспективности районе одна скважина вошла в пласты карналлита и сильвина мощностью в несколько десятков метров. Так был открыт Непский калиеносный бассейн. А совсем недавно (опять-таки по гидрогеохимическим показателям) резко возросли его перспективы. Кажется, здесь обнаружена крупнейшая в стране кладовая калийных солей.

По характеру взаимоотношения с подземными водами различают пять групп месторождений полезных ископаемых:

месторождения труднорастворимых рудных залежей, прямо или косвенно сформированные гидротермальными растворами; сюда входят не только месторождения гидротермальной группы, но и другие — магматические, скарновые и так далее;

месторождения зоны выветривания, образовавшиеся в результате гипергенного минералообразования или накопления в остаточных продуктах;

осадочные скопления легкорастворимых (соляных) пород, сформированные на дне водоемов и подверженные процессам разрушения подземными водами (месторождения химического класса);

залежи нефти и газа (месторождения биохимического класса);

месторождения труднорастворимых рудных и нерудных залежей, образование и разрушение которых связано с биогенной миграцией (например, месторождения каустобиолитов или фосфоритов) и механическим разрушением (россыпные месторождения) при участии подземных и поверхностных вод.

Не во всех пяти группах месторождений значение воды в формировании и разрушении одинаково. Если в первых двух вода играет в основном созидающую роли, то в двух следующих она не только создает их, но и является агентом разрушения. В формировании и разрушении последней группы месторождений роль воды не столь заметна.

В гидротермальном процессе вода служит той подвижной средой, где в растворенном состоянии переносятся многие соединения металлов, происходят различные химические реакции, и она же, вернее, продукты ее электролитической диссоциации принимают участие во всех этих преобразованиях. Специфика рудообразующих гидротермальных растворов заключается не в том, что в них есть экзотические компоненты или соединения, как это следовало бы, казалось, ожидать, а в высокой концентрации отдельных элементов, не известной для других подземных вод, — кремнезема, фтора, бора; ими образованы сульфидные, кварцевые, карбонатные и другие соединения железа, меди, свинца, цинка, молибдена, олова.

Гидротермальные месторождения, зоны минерализации и кварцевые жилы, по меткому замечанию основателя учения о гидрогеологии мерзлой зоны А. В. Львова, следует рассматривать в качестве окаменелых «источников», а ныне действующие минеральные источники — как формирующиеся месторождения.

Современный гидротермальный процесс выявлен в рифтовых впадинах, вулканических и горно-складчатых зонах. Характерным его проявлением могут быть металлоносные термы, обнаруженные на дне Красного моря. Они заполняют придонные впадины, имеют температуру более 50 °C, по составу хлоридные натриевые с минерализацией около 300 граммов на литр и высоким содержанием многих металлов (железа, марганца, свинца, меди, цинка). Рудами этих же металлов сложены придонные осадки. Скорость накопления таких руд достигает 40 сантиметров за 100 лет, объем их колоссален, а стоимость, по оценке специалистов, составляет 2,5 миллиарда долларов. Причиной рудоотложения считается геохимический барьер, образующийся при смешении глубинных металлоносных рассолов с кислородосодержащими водами Красного моря.

Современные гидротермальные процессы обнаружены в Калифорнии у Салтон-Си и в Туркмении на полуострове Челекен, а также в вулканических районах.

Еще разнообразнее месторождения, появившиеся в результате гипергенного минералообразования, то есть выпадения и концентрирования растворенного вещества в условиях низких температур и давлений. Благодаря этому процессу возникли так называемые инфильтрационные и остаточные месторождения (бокситов, железных и марганцевых руд, полиметаллов, редких земель, фосфоритов, гипса и других солей). Большую роль в формировании залежей полезных ископаемых играют геохимические барьеры. На них осаждаются полезные ископаемые инфильтрационного типа. Что же касается остаточных месторождений, то наиболее типичным их представителем служат зоны окисления колчеданных руд («железные шляпы»), где концентрируются самые различные металлы.

Вода (правда, не подземная, а наземная) создает месторождения солей путем испарения или вымораживания. Но она же (на сей раз внутриземная вода) изменяет их и, если не насыщена, постепенно разрушает образовавшиеся ранее залежи.

При уплотнении толщ каменной соли или калийных солей, гипса, мирабилита высвобождается дегидратационная вода, которая совершает большую геохимическую и геодинамическую работу. Работу, результаты которой заметны, что называется, невооруженным глазом. Геохимическая работа заключается в выносе и переотложении разных химических элементов. Так, в частности, формируются месторождения боратов. Активная геохимическая деятельность приводит к изменению формы залежи (см. рис. 13) или даже к ее уничтожению. Наглядно динамическая работа отжимаемой воды видна в складкообразовании и разрушении сплошности горных пород.

Рис. 16. Схема перспектив калиеносности юга Сибирской платформы по гидрогеохимическим показателям.

1 — перспективные районы, выделенные по аномально повышенной концентрации калия в подземных водах (I — Канско-Тасеевский, II — Непско-Тунгусский, III — Кутуликско-Шелонинский); 2 — мощные пласты сильвина и карналлита (Непский калиеносный бассейн); 3 — проявления калийных солей; 4 — граница Сибирской платформы.

Столь же велика роль воды в жизни нефтегазовых месторождений. Какой бы концепции происхождения углеводородных залежей ни следовать (рис. 17), в каждой из них важное значение имеет вода.

Если образование месторождений нефти и газа происходит в подвижной водной среде, обеспечивающей перенос углеводородов, то для их сохранения необходимы условия застойного режима. Вообще, степень подвижности воды по своему влиянию на формирование и разрушение нефтегазовых залежей является, без сомнения, наиболее важным параметром среди всех других факторов среды, поскольку именно в нем интегрируется суммарное воздействие тектонической активности, особенностей вещественного состава пород и изменения во времени термодинамической обстановки.

Выдающийся геолог-нефтяник академик И. М. Губкин, классически обосновавший органическое происхождение нефти, в своих работах показал, что формирование и разрушение нефтегазовых месторождений, происходящее в водной среде, представляет единый многоступенчатый процесс. Он включает четыре последовательные стадии:

накопление исходного органического вещества в осадочных отложениях и образование углеводородов; большое значение при этом имеет наличие не только водоносной емкости, но и экрана нефте-, водо- и газонепроницаемых пород;

перемещение углеводородов из нефтематеринских толщ в коллекторы и последующая водная миграция по пласту-коллектору или разрывным нарушениям и трещинам;

аккумуляция нефти и газа в благоприятных структурных и литологических условиях (в так называемых «ловушках») на пути водной миграции с образованием месторождений, которые обычно тяготеют к зонам разгрузки подземных вод;

перераспределение или разрушение образовавшихся залежей, наступающее в случае изменения геологических условий (чаще всего движущимися водами механическим или физико-химическим путем).

Подведем итоги. Когда-то, за шесть столетий до нашей эры один из первых античных натурфилософов Фалес Милетский считал воду первоосновой всего; по его мнению, она послужила началом земле и воздуху. Древние были мудры, но ошибались. Не будем столь наивны, чтобы замахиваться на все мироздание! Нет, не Землю с большой буквы, а только (!?) земную кору вода действительно создала. Судя по роли в геологических процессах, вода — подлинный скульптор земной коры.

Рис. 17. Схематическое изображение различных гипотез происхождения нефти и газа (по М. Е. Альтовскому).

А—«гидрогеологическая», Б — органическая (нефтепроизводящих свит), В — неорганическая; 1 — водоносные слои (коллекторы), 2 — водоупоры, 3 — нефтепроизводящие свиты, 4 — кристаллические породы, 5 — нефтегазовые залежи, 6 — места образований и пути миграции углеводородов.