5. Происхождение подземных вод и формирование их химического состава

5.1. Происхождение подземных вод

Как было показано в разделе 2.1, первичная гидросфера возникла на около 4,0 – 3,5 млрд. лет назад. В это же время началось накопление различных форм воды в наружном слое Земли, который оценивается примерно в 20 % ее массы. Нижняя часть этого слоя по современным оценкам находится на глубинах от 400 до 1000 км и имеет наиболее развитую пористость и трещиноватость. В этом слое в настоящее время выделяют три вида подземных вод: воды литосферы, астеносферы и подастеносферной мантии. Воды литосферы находятся главным образом в трещинах, порах и распространяются до глубин 100-200 км. Воды астеносферы (слоя без прочности), в отличие от вод литосферы, часто растворены в расплавленной части вмещающей среды. Глубины их залегания от 100–200 до 750–800 км. На границе перехода верхней мантии к нижней (около 800 км) содержатся воды третьей группы – воды подастеносферной мантии.

Общее количество воды в рассматриваемых слоях, их происхождение и динамику оценить крайне трудно. Поэтому наиболее достоверно изучены подземные воды, находящиеся на глубине до 2000 м – отметки, по которой проходит изобата, приближенно определяющая распространение континентальной коры земного шара. Здесь вода существует во всех физических состояниях, а ее запасы велики и оцениваются в 23,4 млн. км³, что составляет 1,7 % общих запасов воды на Земле. Эти воды являются составной частью гидросферы.

Двухкилометровая толща земной коры делится на три вертикальные гидродинамические зоны, которые различаются глубиной залегания, интенсивностью водообмена или активностью участия в глобальном гидрологическом: цикле. В каждой из этих зон преобладают воды определенного агрегатного состояния, химического состава и минерализации. Подземные воды или свободно циркулируют по трещинам и полостям водовмещающих горных пород, почв под действием гравитационных сил, или движутся из областей с большим парциальным давлением водяного пара в области, где оно меньше, или под действием капиллярных сил. Такие воды называются свободными. Подземные воды могут также находиться в физически и химически связанном состоянии с минеральными частицами горных пород, грунтов, почв (см. раздел 2.3). В жидком состоянии воды наиболее широко распространены в верхней части земной коры до глубин залегания, так называемой, критической температуры, представляющей собой такое соотношение температуры среды и атмосферного давления, при котором жидкая вода переходит в парообразную. В среднем на земном шаре эта граница располагается на глубине 12 км. Однако эта глубина не является постоянной и в разных частях континентов различна. Например, на территории России глубина нижней границы жидкой воды изменяется от 8 до 40 км. В этой верхней зоне вода может также находиться и в парообразном состоянии, а при благоприятных условиях конденсироваться и переходить в жидкое. В твердом состоянии вода находится в самом верхнем слое земной коры и большей частью носит сезонный характер, за исключением зоны многолетнемерзлых пород, где она долгое время может существовать в виде подземных льдов.

Наиболее активно в глобальном гидрологическом цикле участвуют воды, находящиеся на относительно небольшой глубине, близко к поверхности земли, заключенные в осадочных породах (грунты, почвы). Эти воды легко разгружаются в реки, озера, различные депрессии в земной коре, моря и участвуют в транспирации растений. Эта толща горных пород носит название зоны активного водообмена, или первой гидродинамической зоны, отличительной чертой которой является постоянное взаимодействие подземных вод и вод, находящихся на поверхности земли. Как правило, эти воды пресные, в редких случаях слабоминерализованные. Условно мощность первой гидродинамической зоны 0,3–0,5 км.

Вторая гидродинамическая зона – зона сравнительно активного водообмена, расположенная ниже первой и простирающаяся до глубин, соответствующих абсолютным отметкам поверхности океанов (отметка поверхности геоида). Области дренирования подземных вод также приурочены к речным долинам, котловинам, впадинам, т. е. связаны с пониженными участками рельефа. В приморских районах воды этой зоны разгружаются в море. Часть зоны занимают напорные воды. Меньшая динамическая активность зоны определяет повышенную минерализацию воды, но часто встречаются и пресные воды.

Третья гидродинамическая зона – зона замедленного водообмена, заключена между отметкой поверхности океана и 2000 м. Воды этой зоны дренируются лишь глубокими врезами долин крупных рек, бортами океанических впадин. Эти воды, как правило, соленые, рассолы и лишь в ее верхней части встречаются пресные и слабоминерализованные.

Интенсивность водообмена характеризует продолжительность гипотетически полной смены объема воды зоны или ее части в процессе круговорота воды. Почвенные воды, содержащиеся в самом верхнем слое Земли мощностью 0,2 м, сменяются один раз в год, а смена воды в самой нижней части зоны замедленного водообмена осуществляется лишь в течение геологического времени.

Пополнение водой перечисленных зон происходит по-разному. Вопрос о происхождении подземных вод долгое время был дискуссионным (известны инфильтрационная, конденсационная и другие теории) и только работы российского ученого А. Ф. Лебедева позволили установить, что воды различных зон формируются неодинаково. Для зоны активного водообмена основным видом питания является просачивание (инфильтрация) атмосферных осадков. Небольшая часть вод этой зоны образуется за счет процессов конденсации (конденсационные подземные воды) и сорбции (поглощение влаги частицами грунта). Считают, что вклад этого вида питания подземных вод невелик, однако в некоторых физико-географических условиях, например, в пустынях, может иметь существенное значение. Что касается формирования запасов воды в более глубоких горизонтах, в зоне затрудненного водообмена, то единой точки зрения до сих пор нет. В настоящее время существуют по крайней мере три основные гипотезы происхождения этого класса подземных вод: магматические и метаморфические воды, седиментационные и воды атмосферного происхождения. При этом считается, что магматические и метаморфические воды образуются на больших глубинах из диссоциированных ионов Н⁺ и ОН^- или паров воды, проникающих в рассматриваемые горизонты из областей нахождения магмы. Здесь речь идет о появлении молекул воды внутри твердой части Земли. Такие воды называются ювенильными (юными). Мантия – генератор природных вод, в ней содержится примерно 20 • 10¹⁸ т воды всех состояний, при этом генерация молекул воды связывается с наиболее летучим продуктом дегазации вещества мантии – флюидом.

Флюид - понятие широкого использования и точно не определенное, так называют и поликомпонентный газово-жидкий раствор, и надкритическое состояние вещества, когда стираются различия в фазовых особенностях между жидкостью и газом. Это проявление больших глубин и высоких давлений, по мнению А.П. Виноградова, представляет своего рода «геологическую плазму». В свете современных представлений о флюидном режиме, мантия на заре геологической истории продуцировала восстановленные флюиды, в которых преобладали Н₂ или водородные соединения типа СН₄, NH₃; и др. Наиболее вероятный механизм появления Н₂О - окисление водорода при его взаимодействии с алюмосиликатами, силикатами и окислами.

В архее вода поглощалась главным образом при формировании земной коры и только частично выбрасывалась на поверхность, в Мировой океан. Основным поглотителем следует считать процесс гидратации породообразующих минералов. С участием воды был сформирован гранитный слой в континентальной коре и произошла серпентинизация основания океанической коры.

На рубеже архея и протерозоя в жизни подземной гидросферы произошли серьезные изменения. Кроме ювенильных вод, большое значение в верхнем осадочном слое стали приобретать вадозные, т.е. «приповерхностные», воды, появление которых обязано процессам осадконакопления в седиментационных бассейнах и регулярному круговороту воды в природе. Эти воды могли проникать и в более глубокие горизонты или участвовать в процессах метаморфизма. Одновременно при метаморфизме в связи с понижением температуры и давления стала выделяться химически связанная вода из минералов.

Таким образом, в геологической истории Земли вода непрерывно генерировалась на самых разных уровнях (в мантии и земной коре) и в различных потоках (региональных и локальных). Отщепляясь от магмы и обладая высокой растворяющей способностью, она приобретает роль универсального переносчика химических элементов как при их выносе из мантии, так и в случае перераспределения в земной коре.

Седиментогенные подземные воды образуются из вод того водного объекта, где происходил процесс седиментации, т.е. отложения наносов. Воды такого типа распространены в осадочных породах и в ложах океанов и морей, где образуют так называемые «иловые растворы» (см. раздел 2.5).

По перечисленным условиям формирования подземные воды можно разделить на эндогенные (внутренние) и экзогенные (внешние). Эндогенные подземные воды образуются в горных породах в результате дегидратации минералов (такие воды называют дегидратационными или «возрожденными») или поступают из магматических очагов, в частности в районах современного вулканизма – ювенильные воды.

Экзогенные подземные воды попадают в горные породы либо при процессах просачивания (инфильтрации поверхностных вод и конденсации водяного пара, либо в результате седиментации (осадконакопления). Воды эндогенного и экзогенного происхождения, двигаясь в горных породах, часто смешиваются, образуя смешанные по происхождению подземные воды.