Гидрогеологический круговорот подземных вод

Под круговоротом воды обычно понимают непрерывное перемещение воды на Земле (в ее атмосфере, гидросфере и земной коре), происходящее под влиянием солнечной радиации и под действием силы тяжести.

Круговорот воды включает в себя испарение воды с подстилающей поверхности, перенос ее с места испарения воздушными течениями, конденсацию водяного пара и выпадение осадков, перемещение вод в водоемах, по поверхности суши и внутри земной коры (Четырехъязычный энциклопедический словарь, 1980, с. 216). Приведенное выше определение круговорота воды полностью соответствует географическому круговороту воды и совершенно не охватывает геологический круговорот, т.е. движение физически и химически связанных вод. Круговорот всех типов вод в географической оболочке и литосфере можно определить как непрерывный замкнутый процесс движения воды во всех ее формах под действием молекулярных и гравитационных сил.
Это определение включает в себя как самостоятельное движение воды (течение, просачивание), так и принудительное перемещение воды под влиянием солнечной энергии, а также совместно с горными породами, с которыми она физически и химически связана.
Общий круговорот естественным образом распадается на два круговорота: гидрологогеографический и гидрогеологический круговороты. Практически в гидрологогеографическом круговороте движется не вода, а газово-водно-породные комплексы, движение которых обеспечивает обмен веществом и энергией между географической оболочкой, земной корой и мантией, а также между отдельными частями литосферы. Гидрогеологический круговорот поддерживает динамическое равновесие между водой и горными породами в разных термодинамических зонах литосферы. Главное направление движения растворов - вертикальное. Латеральное движение, хотя и широко развито, является произвольным.
Первая схема круговорота воды была предложена Э.А. Брик- нером в 1905 году. Э.А. Брикнер различал малый круговорот (испарение воды над океаном и выпадение осадков здесь же) и большой круговорот (когда пары воды переносятся с океанов на материки, где выпадают в виде осадков, а затем речным стоком возвращаются в океан). В настоящее время выделено много типов круговоротов вод. Рассмотрим некоторые из них. Одна из наиболее разработанных схем круговорота воды при
надлежит А.Н. Павлову (1977). А.Н. Павлов выделяет два взаимосвязанных круговорота воды на Земле: климатический и литогенетический круговороты. В структуре каждого круговорота А.Н. Павлов выделяет циклы круговорота. В климатическом круговороте выделены три цикла: атмосферный, поверхностного стока и подземного стока.
Первый цикл - «океан - атмосфера - океан»; второй цикл - «океан - атмосфера - поверхность суши - океан»; третий цикл - «океан - атмосфера - горные породы - океан». Выделенные А.Н. Павловым циклы представляют собой не циклы, а частые круговороты, которые определенным образом соединяясь, образуют большой климатический круговорот. Циклом, как известно, обозначают какой-либо участок времени, который определяет относительно замкнутый процесс или систему процессов, а не систему пространственных связей, как циклы, выделенные А.Н. Павловым. Литологический круговорот А.Н. Павлов делит на два цикла: гидрогеологический и собственно геологический (рис. 48). В одном ряду с циклами выделены этапы, которые располагаются в одном ряду с циклами и представляют собой некоторый участок времени или пространства, что нарушает логическую схему классификации. Определяя роль выделенных круговоротов, А.Н. Павлов приходит к выводу о том, что климатический круговорот представляет собой энтропийную структуру, а литогенетический - структурно-организационный комплекс. В действительности климатический

Рис. 48. Литогенетический круговорот воды (по А.Н. Павлову, 1977)
Гг - гидрогеологический цикл; Ин - инфильтрационный этап; Эл - элизион- ный этап; Сг - собственно геологический цикл; НОК - этап новообразования океанической коры (серпентинизация перидотитов, блуждающая циркуляция в рифтовых областях, подводный вулканизм); ПОК - этап погружения океанической коры (литификация осадков, метаморфизм, гранитизация, метасоматоз,
десерпентинизация).

круговорот входит в систему высокой организации вещества - биосферу, которая в определенной степени определяет и характер литогенетического круговорота.
А.С. Шварцев также выделяет два типа круговорота воды, но дает им другое название - гидрологический и геологический круговороты (рис. 49). В схеме С.А. Шварцева дана глобальная схема круговорота воды, в которой показаны основные пути движения воды от бассейна седиментации к водам атмосферы, поверхностным водам материков и к фазовым точкам преобразования воды в литосфере.
Кроме выделения круговоротов были попытки выделения циклов движения вод. Так, например, А.Н. Семихватов (1947) выделил гидрогеологический цикл, который охватывает промежуток времени от начала регрессии моря до конца следующей за ней трансгрессии, в течение которой происходит замещение подземных вод одного типа водами другого типа (морские - атмосферными или наоборот). По А.А. Карцеву (1963), гидрологический цикл начинается с трансгрессии, включает в себя осадконакопление и формирование седиментационных вод, охватывает время последующего поднятия и регрессии и заканчивается новым погружением и трансгрессией. Первая часть цикла по А.А. Карцеву образует седиментационный (эли- зионный) этап, характеризующийся образованием физически- связанных и элизионных вод. Вторая часть гидрогеологического цикла образует инфильтрационный этап, когда формируются инфильтрационные воды, постепенно вытесняющие и замещающие седиментационные воды.
Г.А. Каменский (1949) выделял четыре цикла круговорота вод в литосфере: инфильтрационный, морской или осадочный, метаморфический и магматический циклы.
Е.В. Пиннекер, С.А. Шварцев и другие (1982) выделили геохимический цикл воды, который начинается в зоне гипер- генеза с момента попадания атмосферных осадков в горные породы, продолжается на всех этапах гидрологического и геологического круговоротов и заканчивается выходом на дневную поверхность возрожденных метаморфических вод. Таким образом, в настоящее время выделяют, с одной стороны, круговороты вод, с другой - циклы функционирования вод. Как те, так и другие выделяются на интуитивном уровне, так как в настоящее время не создана теория их выделения и изучения.
Вода вездесуща, поэтому гидросфера не имеет сколько-нибудь четких границ и представления о гидросфере страдают неопределенностью. В одном случае под гидросферой понима-

Рис. 49. Взаимосвязь гидрогеологического (I) и геологического (II) круговорота воды в земных недрах (по С.Л. Шварцеву, 1980)

ют прерывистую водную оболочку Земли, располагающуюся между атмосферой и твердой земной корой и представляющую собой совокупность вод океанов, морей и поверхностных вод суши (Четырехъязычный энциклопедический справочник, с. 108). При более широком значении понятия «гидросфера» (А.Н. Павлов, 1977 и другие) к ней относят все пространство между зоной диссипации воды в атмосфере, расположенной на высотах 80-300 км, и зоной диссипации воды в литосфере -
на глубинах 30-270 км. В зависимости от того, какое определение понятия «гидросфера» взято за основу и представление о круговороте будет разным. Так, например, Е.В. Пиннекер к подземным водам не относит химически связанные воды, так как они теряют многие свойства воды и не связаны с существующей гидросферой. С этих позиций в едином круговороте вод Е.В. Пиннекер рассматривает только подземные воды инфильтрационного и частично седиментационного происхождения.
По мнению С.А. Шварцева (1982), потребленная литосферой вода как бы исключается из состава гидросферы.
В общем, круговороты воды, выделенные на базе понятия «гидросфера», страдают неопределенностью, не имеют направленного характера и не несут в себе исследовательского начала, а лишь констатируют то или иное положение вещей.
Направленное изучение круговоротов воды и циклов ее циркуляции возможно с трех позиций. Позиция первая: если гидросферу представить не как понятие, а как тело, то четко выделяется первичное основное тело гидросферы, представленное океанами и соединенными с ними морями. Это гидро- сферное тело образует гидрологические поля: воздушное (климатическое), гипергенное поле коры выветривания и литогенное гидрологическое поле, охватывающее литосферу. Гидросфера в телесном ее понимании имеет четкие границы и дает возможность рассмотреть такие типы круговоротов, которые бы замыкались на океан. Например, круговорот океан - атмосфера - океан, океан - атмосфера - литосфера - океан и так далее. Второй тип круговоротов воды выделяется по отношению к какому-либо телу, например, географическая оболочка - литосфера - географическая оболочка или океан - литосфера - океан и т.д. Подобные схемы круговоротов воды дают возможность изучить водный баланс того или иного тела, а также характер его взаимодействия с другими телами или со средой. Третий тип круговорота направлен на изучение круговорота воды внутри объекта, например, круговорота воды в зоне диагенеза или катагенеза, в океане или в любом другом теле. Попытки совместить эти три типа круговоротов при современном уровне знаний о движении воды на Земле, неизбежно ведут к ошибкам или к формальной констатации фактов.
Любой круговорот воды практически невозможен без установки количественных данных о воде, которая принимает участие в данном круговороте. При этом необходимо принять во внимание не всю воду, которая содержится в теле, а лишь ту, которая участвует в круговороте. Так, например, в земной коре, часть подземных вод располагается в замкнутых бассейнах. Эти воды не участвуют в круговороте вод, но ни одна из схем круговорота воды этого не учитывает.
Более или менее достойное количество подземных вод в настоящее время неизвестно. Многочисленные попытки определения количества подземных вод (Виноградов, 1959; Дерп- гольц, 1971; Львович, 1974 и многие другие) не могут считаться достоверными, так как разброс в оценке количества вод очень большой. Так, например, М.И. Львович количество подземных вод определяет в 201-1015т, а В.Ф. Дерпгольц - в 1972Т015т.
Современные представления о количестве подземных вод даны в таблице 54.
В зависимости от генезиса подземных вод и скорости водообмена выделяют три термодинамические зоны (рис. 50). Пер-
Таблица 54
Количество воды в земной коре по данным В.Н.Холодова

		Масса воды, 10 33г
Типы коры	Слой (оболочка)	Химичес ки связан ной	Свободной и физически связанной	Общая масса воды
Континен	Осадочный	0,17	0,48	0,65
тальный	Платформы	0,56	0,81	1,37
	Геосинклинали	0,39	0,33	0,72
	Гранитный	0,99	0,38	1,37
	Базальтовый	1,31	0,43	1,74
	В целом	2,86	1,62	4,48
Субконтинен	Осадочный	0,11	0,35	0,46
тальный	Гранитный	0,21	0,08	0,29
	Базальтовый	0,35	0,11	0,46
	В целом	0,67	0,54	1,21
Океаниче	Осадочный	0,09	0,56	0,65
ский	Вулканогенно осадочный	0,21	0,35	0,56
	Базальтовый	0,34-1,47	0,07	0,41 -1,54
	В целом	0,64-1,77	0,98	1,62-2,75
Земная кора	Осадочный	0,97	2,07	3,04
в целом	Гранитный Базальтовый	1,20	0,46	1,66
в целом	Гранитный Базальтовый	2,0-3,13	0,61	2,61-3,74
	В целом	4,17-5,3	3,14	7,31-8,44

Рис.

50. Генетические зоны подземных вод, их взаимосвязь друг с другом и окружающей средой

вая с поверхности термодинамическая зона малых давлений и низких температур соответствует инфильтрационным и конденсационным водам, которые заполняют трещины и поры до глубины 5-6 км, иногда глубже. В этой зоне располагаются и седиментационные воды, которые становятся подземными после того, как они потеряют непосредственную связь с зоной ги- пергенеза, отделяясь от нее образовавшейся толщей осадков.
В термодинамической зоне инфильтрационных вод обычно выделяют три циркуляционных типа вод: активного, замедленного и весьма замедленного водообмена (табл. 55).
Зона активного водообмена характеризуется преобладанием пресных вод. Ее мощность колеблется от 500 м на равнинах до 1000 м и более в горах. На зону активного водообмена, по мнению Ф.А. Макаренко, приходятся 99 % от поступающего

под землю поверхностного стока. Эта зона имеет хорошую гидравлическую связь с поверхностными водами и является основным резервуаром, который непрерывно обменивается водой в системе осадки - подземный сток - сток в реки и океаны.
Для инфильтрационных вод характерны два режима: безнапорного движения вод и режим напорных (артезианских вод). К последнему типу относятся воды, залегающие между водоупорными слоями и образующие водонапорные бассейны, вода которых, вскрытая скважинами (артезианскими колодцами), поднимается выше кровли и при определенном положении самоизливается на поверхность.
Движение напорных вод определяется разностью напора между областью питания и местом разгрузки. Годовой объем стока подземных вод в океан по М.И. Львовичу составляет 37 500 км3. В этот сток входят не только воды инфильтрацион- ного типа, но и часть элизионных вод. Подземные инфильтра- ционные воды материков имеют большое народнохозяйственное значение и интенсивно используются.
Воды зоны замедленного водообмена имеют ограниченную связь с поверхностными водами. Их питание происходит за счет медленных процессов фильтрации вдоль по пластам или за счет перетекания через породы, разделяющие водоносные пласты. Воды зоны замедленного водообмена более минерализованы, часто нагреты до температуры 40-60°С. Они характеризуются восстановительными условиями, так как обогащены СН4, С02, местами - H2S. К этим водам относятся минеральные воды, используемые в бальнеологии.
Воды весьма замедленного водообмена представляют собой почти закрытые системы, для которых полного цикла обмена вод не происходит за все время существования этих вод. Эта вода расположена как бы в мертвой зоне и в циркуляции участвует лишь посредственно. Представлены эти воды в основном седиментационными реликтовыми водами, которые разбавлены с поверхности инфильтрационными водами. Воды весьма замедленного водообмена в большинстве случаев сильно минерализованы, вплоть до рассолов. Имеют восстановительную среду. Залегают на глубинах больше 3-х км и имеют высокую температуру. Используются в промышленности для получения йода, брома и других полезных веществ. Подобные воды заполняют Днепровско-Донецкую впадину, Московскую синеклизу и многие другие седиментационные бассейны.
Термодинамическая зона элизионных вод расположена в зонах диагенеза, катагенеза и частично метагенеза. В эту зону опускается лишь та вода, которая физически и химически связана с горными породами. По данным Ф.У. Кларка, Б.И. Писарского, В.П. Зверева и других, содержание воды в осадочных, магматических и метаморфических породах характеризуется данными, показанными в таблице 54.
Элизионные воды формируются под влиянием геостатического давления или тектонических напряжений. Суть процесса заключается в выжимании воды из горных пород с последующей ее фильтрацией или переходом в химически связанную воду. При переходе воды из физически связанной в свободное состояние ее объем увеличивается на 40 %, что ведет к увеличению давления и способствует образованию каналов, по которым вода уходит из элизионной зоны. Нисходящее движение элизионной воды имеет рассеянный характер, а восходящие потоки концентрируются в разломах и вулканических путях движения магмы и газов.
С.М. Шевцов (1975) проследил этапы преобразования воды, которая физически и химически связана с глинами. На первом этапе в географической оболочке происходит разложение силикатов, гидратация и образование глин. Второй этап - седиментации, когда глины связывают 10-20 Вес. % свободной воды, образуются гибридные соединения (H2S, СН4, NH3 и другие) и формируется восстановительная обстановка. На третьем этапе идет дельнейшее разложение воды с выделением иона водорода и связыванием гидроксидной группы (ОН"), а также ионов магния и калия. В это же время идет трансформация монтмориллонита и каолинита в иллит и хлорит. Если принять, что среднее содержание воды в осадках равно 6,3%, а скорость их образования, по Р.М. Гаррелсу и Ф. Маккензи (1974), равна 2,51010 т/год, то за год разлагается 0,16* 1010 г воды на площади материков. На дне океанического ложа вследствие малой толщи осадочных пород в 5-6 раз меньше. Четвертый этап происходит уже в термодинамических зонах метагенеза и метаморфизма, где идут разложение глинистых минералов, синтез молекул воды и образование свободной углекислоты (НСОэ), что ведут к резкому повышению окислительно-восстановительного потенциала всей системы, в которой образуется вода высокой агрессивности.
Термодинамическая зона метаморфогенной воды располагается на глубине более десяти километров, при температурах 500-1100°С. Здесь идут многие метаморфические реакции с выделением химически связанной воды, в том числе цроцесс дегидратации и дегидроксилирования, т.е. выделение гидроксильных групп ОН' и Н+. По данным В.Ф. Дерпгольца (1971), количество метаморфогенной воды в течение цикла выделяется 0,38-1024г. При длительности цикла 100-200 млн.лет, в год выделяется 1015 г воды. Выделившаяся при метаморфизме вода движется вверх или в сторону магматических очагов. Сравнение количества метаморфогенных вод и воды, выбрасываемой вулканами, показывает, что метаморфический процесс может полностью обеспечивать все поступление воды, которая с магматическим расплавом выделяется в географической оболочке.
Гидротермальная деятельность элизионной и метаморфогенной воды по энергетическому и геохимическому эффекту не уступает вулканизму. Метаморфогенные воды отличаются повышенной агрессивностью и при взаимодействии с кремнистым расплавом при давлении 9-10 кбар и температуре 1000— 1100°С растворяют до 75 % кремнезема. Под влиянием этих вод, которые носят название флюидов, в земной коре материков идут многие процессы метасоматоза и в том числе гранитизация, один из самых характерных процессов в континентальной земной коре.
Характер взаимодействия подземных вод в пределах акватории ложа океана принципиально иной. Количество седи- ментационных вод, проникающих в нижние горизонты земной коры, в океане гораздо меньше, так как осадочных пород здесь очень мало, за мезозой на большей части акватории океана их накопилось всего 300-600 м. Инфильтрационные воды ложа океана по трещинам и порам проникают вглубь до 300 м. По крупным разломам, по-видимому, гораздо глубже. На глубинах, где температура достигает 500°С, происходит серпентени- зация перидотитов. Некоторые исследователи этот процесс считают глобальным и приписывают ему огромную роль в функционировании земной коры. Так, например, X. Хесс (1969) считает, что мощность серпентинизированного перидотита достигает 4,7 км, а общий объем 1,32-10° км3. Количество воды, необходимое для образования такого количества серпентинитов, достигает 3,6-1022 г, что составляет 2,7 % от общего объема воды в океанах. Серпентиниты отличаются повышенной плотностью и удельным весом и опускаются в мантию. На нисходящей ветви происходит их десерпентинизация, и вода возвращается в океан.
В какой степени предполагаемый процесс соответствует действительности, в настоящее время сказать трудно, но он хорошо объясняет специфические особенности функционирования океанической литосферы и ее отличительные особенности по сравнению с корой континентального типа.

<< | >>

↑

Источник: Гришанков Г. Е.. Литосфера: структура, функционирование, эволюция.. 2008

Еще по теме Гидрогеологический круговорот подземных вод:

- География - Землеведение - История Земли -