Лекция №3. Происхождение подземных вод

1. Инфильтрационная и конденсационная теории

2. Седиментационная и ювенильная теории

3. Метаморфогенная теория

Древними философами и натуралистами были выдвинуты различные теории происхождения подземных вод, которые в современной интерпретации называют: 1) инфильтрационной, 2) конденсационной, 3) седиментационной и 4) ювенильной.

Инфильтрационная теория. Инфильтрационная теория происхождения подземных вод возникла одной из первых. Первое ее изложение относится к I в. до н. э. (Марк Витрувий Поллио). В XVII—XVIII вв. она была поддержана и научно обоснована П. Перро, Э. Мариоттом, Э. Галлеем, А. Валлисниери, М. В. Ломоносовым и др.

Ломоносов высказал мысль о питании подземных вод за счет поглощения (инфильтрации) атмосферных осадков и увязал это явление с геологическими процессами, протекающими в «слоях земных». Он утверждал, что атмосферная вода «...глубоко в Землю проницая, выводит с ключевою водою глубоко потаенные минералы».

Суть этой теории заключается в том, что подземная вода формируется путем проникновения (инфильтрации) в глубь Земли дождевых и талых вод. Разнообразие химического состава вод объяснялось растворением и выщелачиванием горных пород. В настоящее время инфильтрационная теория признается наиболее достоверной в отношении происхождения и формирования большинства пресных и некоторых типов минеральных вод.

Конденсационная теория. В IV в. до н. э. древне-греческий философ Аристотель высказал мнение, что хотя источником всех вод на Земле является влага атмосферы, питание рек происходит двояким путем: во-первых, дождевыми водами, которые в большем количестве выпадают в горах, во-вторых, и главным образом водами, которые образуются в многочисленных земных холодных пустотах в результате конденсации в них паров воды из воздуха, поступающего из атмосферы. Таким образом, он (Аристотель) явился родоначальником конденсационной теории.

В XIX в. (1877 г.) эту теорию особенно горячо пропагандировали О. Фольгер и его сторонники. Он утверждал, что в холодных пористых породах верхних слоев Земли происходит конденсация (сгущение) водяных паров воздуха, которая в итоге приводит к накапливанию подземных вод.

По теории Фольгера, процесс конденсации протекает следующим образом. Атмосферный воздух, содержащий водяные пары, проникает в поры почвы и нижележащих слоев горных пород и, соприкасаясь там с более холодной поверхностью частиц, отдает им часть своей влаги. Таким образом, на частицах пород происходит конденсация водяных паров воздуха, подобная росе, осаждающейся по утрам на охлажденной поверхности Земли.

Гипотеза Фольгера имела много слабых сторон. В частности, при конденсации, как известно, выделяется тепло, которое уже через сравнительно короткое время должно повысить температуру пород зоны аэрации настолько, что дальнейшая конденсация станет невозможной. Подсчитано, что для образования столба воды высотой всего 2 мм необходимо, чтобы каждые полусутки (12 ч) через 1 м² поверхности земли проходило 1000 м³ воздуха, а в течение других полусуток возвращался в атмосферу. Следовательно, линейная скорость движения воздуха должна быть 83,3 м/ч. Такого активного воздухообмена между атмосферой и породами зоны аэрации нигде никто еще не наблюдал.

Только русский ученый А. Ф. Лебедев (1907—1919 гг.) доказал возможность конденсации водяных паров воздуха в порах горных пород. А. Ф. Лебедев объясняет процесс конденсации разностью упругости водяных паров атмосферного и почвенного воздуха или водяных паров, находящихся в различных слоях зоны аэрации; разностью, вызывающей перемещение водяного пара из пространства с большей упругостью в пространство с меньшей упругостью. Такое передвижение влаги при относительной влажности воздуха, равной 100%, приводит к ее конденсации на поверхности частиц горной породы.

Теория А. Ф. Лебедева внесла много нового в вопрос о процессах перемещения и накопления влаги в почвах и горных породах. Однако в выводах А. Ф. Лебедева все же остаются некоторые недоказанные положения.

В настоящее время можно считать установленным, что основным видом питания подземных вод, находящихся в зоне активного водообмена, является инфильтрация атмосферных осадков. В районах с малым количеством атмосферных осадков существенное значение на питание подземных вод может оказывать конденсация. В последние годы большинство исследователей конденсационную теорию рассматривают совместно с инфильтрационной, поскольку влага при этих видах питания имеет атмосферный генезис.

Седиментационная теория. Эта теория зародилась в глубокой древности, когда пытались установить прямую связь между водами океанов, морей и подземными водами, т.к. инфильтрационная теория не могла объяснить происхождения высокоминерализованных вод и рассолов глубоких слоев осадочных толщ.

В первоначальной формулировке по этой теории предполагалось, что высокоминерализованные воды в породах являются остаточными (реликтами) водами древних морей, которые образовались одновременно с отложением осадков в морских бассейнах и сохранившие свой состав в неизменном виде до настоящего времени.

Однако подобные представления на происхождение и формирование соленых вод оказались в противоречии с данными геологической истории формирования осадочных образований, а также и с гидрогеологическими и гидрогеохимическими фактами.

Большинство исследователей Н. И. Андрусов, В. И. Вернадский, А. Д. Архангельский, И. К. Игнатович и др. считают вполне возможным сохранение в определенных естественных условиях на больших глубинах измененных при высоких давлениях и температурах соленых вод морского генезиса. Они полагают, что в природных условиях широко распространены воды морского генезиса, образовавшиеся одновременно с осадконакоплением (сингенетические) или проникшие в ранее сформировавшиеся осадки из морских бассейнов (эпигенетические) и подвергшиеся глубокой метаморфизации в процессе диагенеза осадков.

Другие концепции формирования соленых вод и рассолов в толщах земной коры в той или иной степени допускают или даже полностью отрицают участие вод морского генезиса в их формировании. Из них необходимо отметить гипотезы внутрипластового испарения (В. А. Сулин, М. Е. Альтовский и др.), фильтрационного эффекта (Д. С. Коржинский и др.), гравитационной (дифференциации ионов (К. В. Филатов), трансляционного передвижения ионов (О. Я. Самойлов, Д. С. Соколов) и молекулярно-диффузионного массопереноса (С. И. Смирнов).

Гипотезы внутрипластового испарения и гравитационной дифференциации ионов подверглись резкой критике и в настоящее время считаются несостоятельными. Гипотеза формирования соленых вод в результате фильтрационного эффекта пока не имеет твердого обоснования.

Гипотезы трансляционного движения молекул воды и ионов и особенно молекулярно-диффузионного массопереноса в формировании солености подземных вод и гидрогеохимической зональности артезианских бассейнов заслуживают внимания и дальнейшего изучения.

2. Ювенильная теория. Ювенильная – юная. Так называют воду, выделяющуюся из магмы и до своего появления на поверхности Земли еще не участвовавшую в общем круговороте воды. Как уже отмечалось, на ранних этапах образования Земли и гидросферы вода явилась результатом дегазации мантии. Таким образом, по генезису, основываясь на гипотезе А. П. Виноградова, все воды на Земле являются ювенильными. Однако такое предположение оказалось возможным высказать только в наше время, когда накоплен огромный исследовательский материал. Тем не менее даже в настоящее время этот вопрос нельзя считать окончательно решенным.

В XVI в. Агрикола высказал мысль, что в земной коре могут сгущаться пары воды, идущие снизу с больших глубин. Это предположение в то время не получило развития и поддержки. В 1902 г. известный австрийский геолог Э. Зюсс выступил с ювенильной теорией происхождения подземных вод. Согласно его взглядам образование многих минеральных вод, особенно горячих и газирующих, происходит за счет выделения паров из магмы, которые, конденсируясь в более холодных сферах, поднимаются по глубоким тектоническим трещинам и разломам и появляются на поверхности в виде минеральных источников.

Детальное изучение минеральных и термальных вод (высокотемпературных), источников, проведенное Н. Н. Славяновым, А. М. Овчинниковым, С. И. Набоко и др., не подтверждает их ювенильного происхождения. Многие данные указывают на то, что глубокие термальные и минеральные воды нередко тесно связаны с водами верхней зоны земной коры и имеют атмосферный или морской генезис.

В настоящее время большинство исследователей не отрицают возможность образования какого-то количества ювенильной воды в магматических очагах. Однако доля их в общем балансе подземных вод, по-видимому, незначительна.

Метаморфогенная теория. Ф. П. Саваренский указывает на другие возможные источники образования подземных вод. Известно, что довольно многие минералы и горные породы содержат в своем составе химически связанную гидратную кристаллизационную воду.

Горные породы и минералы, содержащие химически связанную воду, при изменении физико-химических условий равновесия могут выделить часть воды. Так, горные породы и минералы выделяют воду при тектоническом погружении. При обратном процессе, т. е. при поднятии горных пород в верхние зоны земной коры или, например, при вынесении минеральных соединений на поверхность подземными водами, образуются другие минералы, содержащие химически связанную воду. Следовательно, в недрах земли подземная вода может переходить в связанную воду, которая при соответствующих условиях вновь станет капельно-жидкой и поступит в общий круговорот воды.

Таким образом, метаморфогенная вода образуется в результате высвобождения ранее химически связанной (в виде гидроксилсодержащих минералов) и поровой воды из горных пород под воздействием высоких давлений и температур. Так, например, если в осадочных породах содержание воды достигает 20-30%, то в интенсивно метаморфизованных породах ее количество часто сокращается до 1-2%.