2.5. Круговорот воды в недрах земли
Движение подземных вод в земной коре является составной частью общего круговорота воды на планете. В то же время, с геологических позиций, движение воды в земных недрах, включающее простые (механическая, физическая, химическая) и сложные формы движения (биологическая, техногенная), переходы воды из одного фазово-агрегатного состояния в другое и процессы взаимодействия воды с горными породами, рассматривается в настоящее время в качестве важнейшей составляющей геологической формы движения материи (А.Н. Павлов, Е.В. Пиннекер и др.).
В качестве основных видов (составляющих) единой геологической формы движения материи применительно к движению собственно подземных вод обычно рассматриваются два основных вида круговорота воды в земной коре – гидрогеологический и геологический (рис. 6).
Геологический круговорот воды в подземной гидросфере неразрывно связан с историей развития земной коры и Земли. Основными геологическими процессами, определяющими формирование, масштабы и интенсивность геологического круговорота воды, являются процессы осадконакопления (седиментогенез), литогенеза и метаморфизма горных пород, а также процессы поглощения океанических вод в рифтовых зонах океанов с последующим перемещением и преобразованием этих вод в породах океанической и континентальной коры (Кирюхин, Коротков, Павлов, 1988).
Формирование осадков в водной среде (участки осадконакопления в пределах суши, открытые и внутриконтинентальные моря, Мировой океан) неизбежно сопровождается «связыванием» и «захоронением» воды соответствующего бассейна осадконакопления, объем которой определяется объемом (массой) и величинами общей пористости свежеосажденного осадка.
В зависимости от гранулометрического и минералого-геохимического состава осадков значение общей (объемной) пористости и соответственно полной влагоемкости, учитывающей суммарно количество свободной и физически связанной воды, изменяется от 30 до 80% и более.
Образование седиментогенных вод обязано круговороту вещества в недрах земли, при котором вода вместе с вмещающими ее породами медленно погружается на значительные глубины по мере опускания отдельных блоков земной коры, что затем компенсируется накоплением осадочных пород соответствующей мощности. Главная особенность рассматриваемой системы состоит в переносе воды на большие глубины в результате геологического движения материи. Само движение воды – часть более общих процессов седиментации, диагенеза, катагенеза и метаморфизма, т.е. литогенеза в целом. Поэтому такая разновидность движения воды называется литогенной.
Рис.6. Взаимосвязь гидрологического и геологического круговоротов воды в земных недрах (по Е.В. Пиннекеру, 1980)
По существующим представлениям (Н.Б. Вассоевич, В.В. Мухин и др.) процессы уплотнения глинистых пород и связанное с ними отжатие поровых вод наиболее резко происходят в верхней части разреза и с постепенно уменьшающейся интенсивностью продолжаются до глубины 3000-3500 м и более. Так, при погружении свежеосажденных илов на глубины до 100 м величина общей пористости уменьшается на 30-40% (от 70-80 до 40-45%), при этом отжимающиеся поровые растворы поступают главным образом через толщу перекрывающих неуплотненных пород обратно в бассейн осадконакопления. На глубинах 400-500 м пористость уменьшается до 36-40%, к глубине 2000 м - до 20%, 3000 м - до 10% и менее, еще глубже пористость тонкодисперсных (глинистых) пород в процессе их уплотнения и литификации уменьшается до первых процентов. Уменьшение пористости тонкодисперсных пород при уплотнении приводит к отжатию из них больших объемов поровых вод, поступающих в подземную гидросферу. Причем если на первых стадиях уплотнения отжимается свободная и рыхлосвязанная вода, то при давлениях и температурах, характерных для глубин 3000–5000 м, возможно отжатие воды прочносвязанной с частицами минерального скелета. Кроме собственно процессов отжатия поровых вод дополнительные (весьма значительные) объемы воды высвобождаются из глинистых пород в результате дегидратации и литогенетических изменений состава глинистых минералов (Основы гидрогеологии, 1980).
Рассматриваемый (первый) этап геологического круговорота воды, связанный с захоронением и отжатием поровых растворов, носит название седиментогенного (или элизионного), и подземные воды, образующиеся в результате этого процесса, называются седиментогенными (седиментационными).
Дальнейшее погружение осадочных пород в глубоких геологических структурах (известны структуры, где мощность пород осадочного чехла достигает 10–15 км и более) сопровождается процессами их метаморфизации (региональный метаморфизм), в результате которого происходит дальнейшее «обезвоживание» горных пород и связанное с этим формирование свободных подземных вод.
По современным оценкам количество воды, выделяющейся при метаморфизации некоторых типов основных пород (гидрослюды, монтмориллонита, каолинита и др.), может достигать 15–25% от их веса.
Названный этап геологического круговорота воды может рассматриваться в качестве метаморфогенного (метаморфогенные воды).
Принципиально другой ветвью геологического круговорота воды в земной коре являются предполагаемые процессы поглощения океанических вод в пределах рифтовых зон океана с последующим участием их в процессах серпентинизации мантийных пород и формирования океанической коры. Завершение этой ветви геологического круговорота воды с ее возвращением в поверхностную гидросферу предположительно может быть связано с процессами десерпентинизации (дегидратации) пород океанической коры при их погружении в районах глубоководных желобов и вулканической деятельностью. Образование таких вод сопровождается температурной диффузией, осмосом, молекулярным переносом и другими процессами. Такую разновидность движения глубинной воды можно назвать магматогенной (поскольку она связана с магматизмом). Количественные оценки массы воды, принимающей участие в данной ветви круговорота и возможных сроков «водообмена» являются в настоящее время весьма приближенными (Павлов, 1977).
Гидрогеологический круговорот воды в земной коре чаще рассматривается как составная часть более сложного гидрологического (климатического) круговорота воды на планете (А.Н. Павлов, Е.В. Пиннекер), однако применительно к движению собственно подземных вод он, безусловно, должен рассматриваться самостоятельно. Гидрогеологический круговорот объединяет движение парообразной, просачивающейся и физически связанной воды в зоне аэрации; переходы воды из твердого состояния в жидкое и обратно в пределах криолитозоны; движение парообразной, физически связанной и свободной гравитационной воды в зоне полного насыщения. Через поверхность земли эта ветвь подземного круговорота теснейшим образом связана с процессами, протекающими в атмосфере и поверхностной гидросфере планеты, и через зону надкритических вод – с процессами, происходящими в нижней части земной коры и верхней мантии (рис. 6).
Важнейшей составной частью гидрогеологического круговорота воды является движение свободных (гравитационных) подземных вод в пределах зоны полного насыщения, определяемое единым понятием «подземный сток» (Б.И. Куделин). В этом случае зона полного насыщения рассматривается как система в различной степени взаимодействующих потоков свободных (гравитационных) подземных вод, связанных с геологическими структурами разного типа и размера, отдельными слоями и толщами горных пород, зонами трещиноватости и др.
В пределах современных континентов в верхней части разреза зоны полного насыщения до глубин 300–500 м (при соответствующем строении гидрогеологического разреза, вероятно, до глубин 1000–1500 м и более) формируется так называемая система «местных» потоков подземных вод, связанных с современным рельефом конкретных территорий и условиями взаимодействия подземных вод с поверхностными водами и атмосферой (см. рис. 6). Важнейшей чертой динамики подземных вод верхней части земной коры является внедрение метеогенных (инфильтрующихся) вод. Этот процесс объединяет в себе воздействие экзогенных факторов, и, вероятно, должен дать название рассматриваемой разновидности геологической формы движения воды, которую следует именовать метеогенной.
Ниже на глубинах до 3000-5000 м, возможно более, может быть выделена зона региональных потоков подземных вод, направление которых связано главным образом с основными элементами современного рельефа суши (водоразделы океанических и морских бассейнов, речных систем I порядка, приморские низменности, обширные внутриконтинентальные впадины и др.). Структура региональных потоков подземных вод в решающей степени определяется строением гидрогеологического разреза конкретных регионов, а также составом и свойствами водовмещающих пород.
В нижней части зоны полного насыщения, а на участках, где гидрогеологический разрез непосредственно с поверхности представлен кристаллическими породами (магматические и метаморфические формации), уже на глубинах 500–1000 м, возможно меньше, основным видом движения подземных вод является формирование линейно-локальных субвертикальных потоков, связанных с зонами повышенной трещиноватости и проницаемости (см. рис. 6). В пределах зон разрывных нарушений сверхглубинного заложения (проникающих через всю толщу земной коры) движение потоков подземных вод, вероятно, в решающей степени связано с формированием избыточных давлений в зоне подземных вод в надкритическом состоянии (гидродинамические условия на нижней границе зоны полного насыщения), а также с поступлением мантийных флюидов. Под флюидом в этом случае понимается поликомпонентная смесь летучих веществ, существенным элементом которой является вода в надкритическом состоянии или продукты ее термической (свободные водород и кислород) и электролитической (протон Н+, гидроксил ОН- и кислородный ион О2-) диссоциации (Основы гидрогеологии, 1980).
Таким образом, формирование гидрогеологического и геологического круговорота воды в земной коре происходит, естественно, не изолированно, а в условиях их тесного и постоянного взаимодействия. Включение «атмосферных» (метеорных) вод в геологический круговорот происходит путем «захоронения» воды с вновь формирующимися осадками и путем нисходящей фильтрации свободных гравитационных вод по проницаемым зонам глубинных и сверхглубинных разломов предположительно до зоны подземных вод в надкритическом состоянии и, возможно, глубже (см. рис. 6).
С другой стороны, седиментогенные, метаморфогенные и магмогенные воды, переходя в «свободное состояние» путем восходящей фильтрации по зонам повышенной проницаемости (тектонические нарушения, локальные зоны глубинной трещиноватости, породы, сохраняющие относительно высокую проницаемость на значительных глубинах, и т.д.), неизбежно вовлекаются в систему потоков подземных вод, формирующих различные ветви гидрогеологического круговорота воды в земной коре и далее – в поверхностную гидросферу.
Вопросы для самоконтроля
Современные представления о гидросфере Земли ее происхождении, границах, объеме, составных частях.
Что такое аномальные свойства воды.
Классификация видов воды в горных породах.
Что собой представляет гидрогеологический разрех земной коры.
Виды движения воды в земной коре.
Взаимосвязь гидрологического и геологического круговорота в земных недрах. Гидрогеологический круговорот воды.