2.5. Подземная гидросфера

физически связанная вода - адсорбированная, пленочная;

свободная вода - вакуольная, капиллярная, гравитационная;

вода в твердом состоянии;

химически связанная вода - кристаллизационная, цеолит- ная, конституционная;

вода в надкритическом состоянии.

Вода в форме пара. Содержание пара в подземном слое атмо­сферы колеблется от десятых долей до нескольких процентов. Со­держание пара в верхних слоях горных пород может быть и выше. Общее его количество не превышает 0,001 % от всей массы пород. Тем не менее, эта форма воды имеет большое значение, так как явля­ется единственной, способной перемещаться при небольшой влажно­сти породы, причем перемещение пара происходит от участков с большей влажностью и температурой пара к участкам с меньшими

значениями этих параметров. Поэтому летом влага мигрирует от при­поверхностных слоев вниз и конденсируется, а зимой перемещается к поверхности Земли, вблизи которой конденсируется и замерзает.

Пар в горные породы может поступать из воздуха или быть продуктом испарения подземных капельно-жидких вод. Образовав­шийся при этом пар движется вверх, в атмосферу. Таким образом, через парообразное состояние верхней части литосферы - так назы­ваемой зоны аэрации - проходят огромные массы влаги, которые участвуют, как в пополнении ресурсов водоносных горизонтов в ре­зультате конденсации, так и в расходовании подземных вод вследст­вие их испарения.

Наряду с холодным паром, в условиях современного вулка­низма, например, образуется горячий пар, находящийся в смеси с перегретыми водами, имеющими температуру 100-130 °С и более. Такие парогидротермы наблюдаются в нашей стране на Камчатке (Мутновское и Паужетское месторождения).

Физически связанная вода. Рассматриваемый вид воды при­сущ, главным образом, глинистым породам. Глинистые частицы ок­ружены несколькими концентрическими слоями воды, и чем ближе слой к частице, тем сильнее он притягивается к ней (рис.10). Свя­занная вода соответствует двум слоям: адсорбционному и диффуз­ному. Коллоидная частица с неподвижным (адсорбционным) слоем молекул воды и катионов называется гранулой. Та же частица с двойным слоем неподвижным и подвижным (диффузионным) назы­вается мицеллой. Адсорбированная, иногда ее называют прочно свя­занной, вода образуется в результате сгущения паров на поверхно­сти минеральных частиц. Эта вода удерживается на поверхности адсорбционными силами. Толщина слоя адсорбированной воды ко­леблется в пределах долей микрометра и зависит от минералогиче­ского состава, размера и формы частиц, состава ионов, влажности породы, атмосферного давления, температуры. Адсорбированная вода образуется с выделением до 400 Дж теплоты на 1 г воды. Эта вода малоподвижна. Она удерживается у поверхности силами в десятки и сотни тысяч килоньютонов. По своим свойствам эта вода близка к свойствам твердого тела: плотность 1,2-2,4 г/см³ (в сред­нем 2 г/см³), температура замерзания от 0 до -78 °С, диэлектриче­ская постоянная 2-2,2 (у свободной воды она равна 81). Адсорби­рованная вода не может растворять соли и перемещается только в парообразном состоянии. Удаляется она из грунтов при температу­ре 105 °С. Эта вода определяет так называемую гигроскопическую влажность грунтов.

Максимальное количество адсорбированной воды, погло­щаемое породой, называется максимальной гигроскопичностью. Для мелкозернистых и глинистых пород она достигает 15-18 %, а в крупнозернистых отложениях уменьшается до 5 %. Такое состоя­ние пород возникает при полном насыщении водяным паром под­земной атмосферы.

п ШШШшашш L

Свободная вода

от них и переходит в свободное состояние. Характерной особенно­стью пленочной воды является способность перемещаться от более влажных участков слоев к менее влажным.

Пленочная вода не подчиняется силе тяжести, не переда­ет гидростатического давления. Она удерживается в породе си­лами, в 70000 раз превышающими силы гравитации. При лити- фикации пород пленочная вода удаляется. Поэтому слабоуплот­ненные глины содержат большее количество пленочных вод, чем сильноуплотненные породы. Замерзает пленочная вода при -

5. °С, и чем тоньше пленка, тем ниже температура замерзания. Количество пленочной воды в глинистых отложениях макси­мально в глинах монтмориллонитового состава, в более тонко­дисперсных породах оно растет с уменьшением минерализации порового раствора.

Физически связанная вода называется еще и молекулярной. Максимальное ее количество, которое может удерживаться породой, считается максимальной молекулярной влагоемкостью породы, ко­торая достигает в суглинках 10-20 %, а в глинах до 50 % от массы сухого образца.

Свободная вода. Различают воду вакуолей (включений в ми­нералах), капиллярную и гравитационную.

Вода вакуолей представляет собой захороненные остатки проявлений древних гидротерм, заполняющих пустоты в горных породах. Эта вода может быть выделена при нагревании или меха­ническом разрушении породы. Роль вакуольных вод в подземной гидросфере невелика, но их изучение дает важный материал для ре­конструкции условий образования пород.

Капиллярная вода может образовываться в местах соприкос­новения минеральных частиц в виде отдельных капель (вода углов пор). Эти капли изолированы друг от друга поверхностями частиц и менисковыми поверхностями, неподвижны и находятся в как бы за­щемленном состоянии. При увеличении влажности грунта капил­лярные поры полностью заполняются водой и тогда различают соб­ственно капиллярные воды, если они соединены с уровнем первого от поверхности Земли водоносного горизонта, или подвешенные капиллярные воды, если такой связи нет.

Капиллярные воды под действием капиллярных сил подни­маются выше уровня первого от поверхности Земли водоносного горизонта. Высота капиллярного поднятия зависит от грануломет­рического состава пород: в мелкозернистых грунтах она больше, чем в крупнозернистых. Она уменьшается с увеличением плотности фун­та, а в однородных грунтах и при понижении температуры воды.

Предельную высоту капиллярного поднятия в породах ха­рактеризуют следующие данные, см:

Вода в твердом состоянии. Лед довольно широко распро­странен в верхней части литосферы, участвует в образовании мно­голетней, сезонной, кратковременной (часовой, суточной) мерзлоты. Макроформы подземных льдов весьма разнообразны (линзы, слои, жилы) и могут быть названы жильными льдами. Это самостоятель­ная мономинеральная порода, залегающая в трещинах, полостях и пустотах других горных пород и образовавшаяся как в результате внедрения и замерзания подземных вод, так и вследствие захороне­ния наземных льдов (наледей, льдов водоемов, «снежников» и др.), относящихся к так называемым погребенным льдам.

Встречаются также различные микроформы льдов. Так, на­пример, лед-цемент образуется при промерзании увлажненных гли­нистых и песчаных пород за счет воды, находящейся в порах между частицами скелета породы. В зависимости от степени заполнения пор различают четыре вида цемента: контактовый в местах контакта частиц скелета; пленочный по поверхности частиц, но без сплошно­го заполнения пор; поровый, заполняющий поры целиком; базаль­ный, образующий основную массу породы.

Свойства пород, содержащих воду в твердом состоянии, су­щественно отличны от свойств тех же пород в талом состоянии. В значительной мере свойства мерзлых пород определяются содержа­нием льда (льдистостью), которое иногда достигает в песчаных и глинистых породах сотен и тысяч процентов по отношению к массе минеральной части воды.

Химически связанная вода. К этому виду воды относят кри­сталлизационную, цеолитную и конституционную формы. Все они входят в состав минералов в виде Н₂0, ОН“, Н⁺, Н₃0⁺.

Кристаллизационная вода содержится в виде молекул Н₂0, постоянно сохраняя определенное их количество. Примерами ми­нералов, содержащих кристаллизационную воду, могут служить гипс (CaSQj • 2Н₂0), мирабилит (Na₂S0₄ • ЮН₂0), карналлит (КС1 • MgCl₂ • 6Н₂0). Вода может удаляться из минерала при темпе­ратуре около 100 °С. При дегидратации минералы изменяют свои Свойства. Например, гипс при потере воды переходит в ангидрит, Мирабилит в тенардит, т.е. минералы с другой кристаллической Структурой и другими физическими свойствами.

Цеолитная вода является аналогом кристаллизационной, но количество молекул НгО в минералах может изменяться при сохра­нении физической однородности вещества. Примерами минералов с цеолитной водой могут служить опал (Si0₂ • иН₂0), анальцим (Na[AlSi₂0₆] • иН₂0) и др.

Конституционной называют такую химически связанную во­ду, в которой кислород и водород участвуют в молекулярном строе­нии минералов в виде гидроксильной группы (ОН^-), входящей в со­став их кристаллической решетки. Ион водорода (Н⁺) может заме­няться кальцием, магнием, натрием, калием, железом. Конституци­онная вода может быть выделена только при разрушении кристаллической решетки минерала при температуре более 400 °С. К числу минералов, содержащих конституционную воду, относятся диаспор (АЮ • ОН), мусковит (CaAl₂[AlSiOi₀] • [ОН]₂), каолинит (Al₄[Si₄O₁₀] • [ОН]₈).

По А.С. Поваренных (1966), переход от гидроксильной, пре­имущественно ионной связи к водородной, преимущественно кова­лентной связи, происходит по следующей схеме: 1) гидроксильная связь ОН - Н, расстояние между ионами г — 0,5-Ю,3 нм [NaOH, Са(ОН)₂, Mg(OH)₂ и др.]; 2) гидроксильно-водородная связь ОН - Н, г = 0,3-Ю,27 нм [Zn(OH)₂, А1(ОН)₃, Н₂0, все кристаллогидраты]; 3) водородная связь О - Н - О, г —0,27-Ю,25 нм (NaHC0₃, KHS0₄, НА10₂ и др.).

Вода в надкритическом состоянии. При температуре более 374-450 °С и давлении более 21,8 МПа различия между жидкостью и газом отсутствуют. Такое состояние называется надкритическим. Водородные связи становятся непрочными, молекулы распадаются на ОН" и Н⁺. Вязкость воды становится меньше, что способствует росту миграционных способностей. С повышением температуры и давления увеличиваются пределы растворения химических соедине­ний в воде.

Воды в надкритическом состоянии обычно залегают на глу­бинах, превышающих 5-10 км. Ближе к поверхности такие воды встречаются в магматических расплавах и при снижении температу­ры и давления переходят в пар или жидкость. Изучение условий этих переходов имеет важное значение для понимания процессов

гидротермального рудообразования и общих процессов теплообмена на нашей планете.

Физиологически связанная вода. Такой вид воды в подзем­ной гидросфере распространен значительно меньше, чем в наземной биосфере. В недрах Земли проявления жизни связаны, в основном, с деятельностью микроорганизмов. Живые организмы не могут жить, если они не содержат воду. Она является для них той физико­химической средой, благодаря которой осуществляются реакции обмена веществ, обеспечивающие их жизнедеятельность. Микроор­ганизмы активно участвуют в создании месторождений газа, нефти, руд, образовании химического состава вод, разрушении фундамен­тов сооружений.

Происхождение подземных вод. На суше главным генети­ческим типом подземных вод являются инфильтрационные (метео- генные) воды. Они образуются в результате просачивания атмо­сферных осадков, талых и поверхностных вод в горные породы. Процесс просачивания называется инфильтрацией, а образующиеся при этом воды инфильтрационными. В горные породы проникает обычно около 5-10% выпадающих атмосферных осадков. Там, где на земную поверхность выходят крупные трещинные, карстовые полости и пустоты, поглощение атмосферных вод существенно уве­личивается. Процесс поглощения в этом случае называется инфлюа- ционным, а воды, которые образуются при этом, инфлюационными. Поглощение метеорных вод возрастает до 20 % и более от суммы выпадающих осадков.

Пары воздуха конденсируются на поверхности почвенно­покровных отложений, скрытых трещин, полостей, в карстовых пе­щерах. Процесс развивается тем интенсивнее, чем больше различие между температурой и давлением приземного и внутриземного воз­духа. Величина конденсационного питания подземных вод обычно не превышает нескольких десятков миллиметров в год, она заметно больше в областях контрастных колебаний температуры и давления воздуха (пустыни, районы развития многолетней мерзлоты, карсто­вые пещеры).

Седиментационные воды образуются в осадочных бассейнах. Они представляют собой остаточные растворы или связанные воды

в осадочных породах. В процессе диагенеза и последующего катаге­неза осадки постепенно уплотняются, а свободные и связанные воды из них отжимаются. Илы при этом превращаются в глины, а затем в аргиллиты, а пески - в рыхлые, а затем плотные песчаники. Процес­сы литификации пород приводят к снижению их пористости, влаж­ности, увеличению плотности, изменению структуры и минерально­го состава. Эти явления сопровождаются отжатием воды в наиболее проницаемые зоны и созданием водонапорных систем. Они носят название элизионных (лат. elisio - выжимание, отжатие). Со време­нем и глубиной отжатие физически связанных вод постепенно зату­хает, а при высоких гидростатических давлениях и температурах может дополняться отжатием части химически связанных вод. Эти потери происходят, например, при превращении гипса (CaS0₄ • Н₂0) в ангидрит (CaS0₄) и монтмориллонитовых глин в гидрослюдистые.

При повышенных температуре и давлении катагенетические процессы сменяются метаморфическими. На этом этапе известняки превращаются в мрамор, песчаники - в кварциты, магматические породы - в гнейсы. Соответственно изменяются структура и тексту­ра пород, их минеральный состав. Последствием этих процессов яв­ляется образование некоторого объема метаморфических вод, ис­ходной основой для которых служат кристаллизационные и ваку­ольные воды.

Воды глубинного происхождения могут иметь разную при­роду и соответственно различные названия: ювенильные, магмати­ческие, мантийные. Вода поступает из глубин Земли вместе с лету­чими компонентами и генерируется из водорода и кислорода. По способу выделения ее из глубинных зон Е.В. Пиннекер (1977) пред­лагает различать вулканические воды, образующиеся в виде надкри­тической Н₂0 или пара из магмы по мере его подъема, охлаждения и конденсирования в жидкую фазу и сквозьмагматические или транс­магматические, представляющие собой региональные газово-жидкие потоки из очагов магматизма. Присутствие вод ювенильного или другого глубинного происхождения обнаруживается в водах источ­ников из скважин областей современного вулканизма и рифтогенеза. По изотопным данным содержание глубинной составляющей в этих водах обычно не превышает 5-10%. Преобладающую долю в них

составляют воды другого генезиса (инфильтрационного, седимента- ционного и др.). Изменение объемного содержания воды в литосфе­ре характеризуют следующие данные, %:

Слой литосферы Осадочный Гранитный Базальтовый Эклогитовый

Зона Дна- и ката- - Метагенеза -

генеза

Содержание воды, % 80-30 и 30-2 4-1 0,5-1,0 >0,5

Кроме названных генетических типов подземных вод можно назвать еще несколько: возрожденные, восстановленные из химиче­ски связанных вод, которые перешли в свободное состояние с гидра­тацией осадочных; криологические воды, образовавшиеся при дегра­дации многолетней мерзлоты и таяния промороженных пород; орга­ногенные, возникающие при разложении органического вещества. В.И. Вернадский обращал внимание на то, что органогенные воды обладают специфическим химическим составом, который отражает особенности живых организмов предыдущих эпох. Эти особенности в последующие эпохи могут не повторяться. Перечисленные выше ти­пы подземных вод так же, как конденсационные, метаморфические, ювенильные встречаются обычно не в «чистом» виде, а в различных пропорциях с другими представителями подземной гидросферы.

Структура подземной гидросферы. В начале напомним краткие сведения о внутреннем строении Земли. В строении Зем­ли выделяется пять основных оболочек: земная кора, верхняя мантия, нижняя мантия, внешнее ядро, внутреннее ядро (рис. 11) [24]. Земная кора — самая верхняя и самая тонкая оболочка. Ее мощность изменяется от нуля (местами в океане) до 75 км (под континентами). Нижняя граница верхней мантии устанавливается на глубине 670 км. Слой, заключенный между границами на глу­бинах 410-670 км рассматривается как переходный между верхней и нижней мантией. Подошва нижней мантии находится на глубине 2900 км, в основании которой также выделяется переходный слой (глубины 2650-2900 км). Внешнее жидкое ядро Земли ограничено Уровнями 2900-5146 км, а внутреннее твердое ядро - 5146-6371 км. Границы между оболочками Земли устанавливаются по смене ско­

Осадочные породы ifci

Гранитные плутоны [ Плутоны тоналитов Слюды, сланцы, гнейсы Амфиболиты

Граница Конрада

Кислые гранулиты То же, остаточные от анатекснса

Основные гранулиты, остаточные от анатекснса Основные гранулиты

В верхней части коры залегает осадочный слой - чехол, сложенный неметаморфизованными отложениями. Его мощность обычно составляет несколько километров, в наиболее глубоких зонах до 10-12 км, а в Прикаспийской впадине даже до 20 км. Ме- таморфизованная часть земной коры делится на три слоя: верхний, средний и нижний. Верхний слой представлен гранитогнейсовыми породами, находящимися на амфиболитовой стадии метаморфиз­ма. В сложении среднего слоя преобладают породы гранитного со­става. Этот слой отличается повышенной трещиноватостью и флюидонасыщенностью. Породы нижнего слоя имеют средний и основной состав и горизонтальную слоистость. Их можно отнести к гранулитовой стадии метаморфизма. Предполагается, что флюи­ды в этом слое приурочены к зонам тектонических нарушений и трещинам.

Верхняя мантия сложена породами перидотитового соста­ва. С глубины 410 км выделяется переходная зона. Важной особен­ностью этой зоны является заметное содержание в ней воды, нахо­дящейся в Mg-силикатах в количестве 0,1 %. Ее присутствие спо­собствует подвижности этой зоны.

Нижняя мантия образована, в основном, перовскитом (Mg,Fe)Si0₃ и магнезитом (MgFe)O. Эти минералы составляют 70-20 % массы мантийного вещества. Очень большое значение в жизни нашей планеты придается переходной зоне нижней мантии. В ее пределах зарождаются такие важные процессы как конвекция и адвекция, которые определяют структуру земной коры и рельеф по­верхности Земли, а вместе с ними климат и условия существования биосферы. Этот слой хорошо выражен под так называемыми «горя­чими точками» планеты (Гаваи, Йеллоустоун, Исландия и др.). Эта переходная зона может служить областью захоронения тектониче­ских пластин, перешедших сверху, или областью зарождения супер- плюмов, которые начинают двигаться вверх.

Ядро Земли вращается быстрее, чем Земля в целом, на 1,3°± 1° в год. Состав внешнего ядра железоникелевый. В нем до­пускается присутствие некоторых легких элементов (кремния, серы, кислорода и даже водорода). Последние два элемента могут служить потенциальными источниками генерации воды.

Железо-никелевый состав внутреннего ядра Земли, по- видимому, в значительной степени освободился от примесей легких элементов. Формирование внутреннего ядра нашей планеты началось примерно 2,5 млрд лет назад, по другим оценкам 1 млрд лет назад.

Разработка теории движения литосферных плит потребовала при выделении оболочек Земли учета реологических свойств оболо­чек. В верхней части Земли выделялась литосфера, характеризую­щаяся массивными и хрупкими свойствами, а в нижней части - ас­теносфера, отличающаяся пластичностью и частичной расплавлен- ностью ее вещества. Астеносфера является главным магмогенери­рующим слоем и характеризуется высокой температурой (1200 °С) и значительной величиной теплового потока. Наиболее высока темпе­ратура в сейсмически активных районах, в тектонически древних областях она заметно ниже. Ближе всего к поверхности (до 10 км) астеносфера подходит в Восточно-Тихоокеаническом поднятии, глубже всего она залегает в древних кратонах (до 200-350 км). От­сюда следует, что литосфера включает в себя земную кору и часть верхней мантии. Мощность литосферы под океанами изменяется от нескольких десятков километров до 90 км на окраинах океанов. Под континентами наибольшей мощности литосфера достигает под ар­хейскими и протерозойскими кратонами (200-220 км). Самая мощ­ная литосфера (до 300-350 км) установлена на севере северного по­лушария - на Балтийском щите и Сибирской платформе. Корни этих платформ уходят глубоко в верхнюю мантию, а возраст их оценива­ется в 3-3,5 млрд лет.

Вся литосфера Земли разбита на плиты, которые могут со­стоять из нескольких блоков; тектонические активность и движения приурочены к границам между литосферными плитами. Таких плит в настоящее время выделяют семь. На конвергентных границах про­исходит разрастание океанических плит, а на дивергентных грани­цах - погружение континентов в мантию или их субдукция.

Из сказанного следует, что в подземной гидросфере можно выделить три вертикальные зоны:

• верхняя - с преимущественным распространением ин- фильтрационных, седиментационных и литогенных вод в породах осадочного чехла и верхней части складчатого фундамента;

• средняя - с преимущественным распространением мета­морфических вод, приуроченных к породам верхней и средней час­тей коры, претерпевшей глубокий метаморфизм;

• нижняя - зона вулканических и сквозьмагматических (сквозьмантийных) вод, формирующихся в нижней части земной коры и верхней мантии.

С глубиной уменьшаются общий объем воды и количество в ней свободных вод и растут объем и роль физически и химиче­ски связанных вод. В нижней зоне заметнее роль вод кристалли­зационных, вакуольных, в форме горячего пара, газа, мономерных и диссоциированных молекул. В нижних частях этой зоны проис­ходит генерация воды и образование восходящих сквозьмантий­ных ее потоков.

Таким образом, в литосфере образуются два разнонаправ­ленных потока подземных вод: нисходящий, направленный от по­верхности Земли к ее недрам, и восходящий, формирующийся в глубинных зонах и направленный вверх. Соответственно, подзем­ная гидросфера имеет две области питания: экзогенную (с поверх­ности Земли) и эндогенную (из мантии). Благодаря гетерогенному строению подземной гидросферы эти два потока проникают на разные интервалы глубин, часто смешиваясь друг с другом. Их движение внутри подземной гидросферы обусловлено многими факторами: тектоническими, сейсмическими, геостатическими, гидростатическими, магматическими, криогенными, газодинамиче­скими. В результате воды с глубиной приобретают все больший напор и пытаются подняться наверх и даже иногда вырваться из пределов подземной гидросферы. Вместе с тем в определенных условиях могут возникать зоны раздвига, зоны поглощения под­земных вод. В этих местах инфильтрационные или седиментаци- онные воды могут глубоко проникать в земную кору.

Итак, подземная гидросфера представляет собой весьма сложную земную оболочку. Подземные воды в ней распределены неравномерно, а их движение носит сложный характер. Структу­ра, свойства и состав самой воды также претерпевают большие изменения.

Общий объем воды на нашей планете приближается к

6. млрд км³ и вряд ли менялся в процессе эволюции нашей плане­ты. Варьировались лишь количественные соотношения между раз­личными водными резервуарами. Так, например, существенно уве­личивался объем воды в океане во время всемирных оледенений.

Объем воды, находящейся в твердом состоянии, в несколько раз превышал современный объем льда. Почти половину своей воды подземная гидросфера отдала в наземную и в надземную ее части. Какую-то часть воды наша планета потеряла в результате рассеяния ее (диссипации) в космосе. Этих данных мы пока не имеем.

Задание для самопроверки

1. На какие процессы влияет диэлектрическая постоянная воды?

Что было бы с живыми организмами, если бы лед то­нул в воде?

Может ли природная вода быть абсолютно химически чистой?

Что является главной причиной существования структу­ры воды?

Каковы основные модели структуры воды?

Каковы аномальные свойства жидкой воды, связанные с ее структурным строением?

На какие составные части делится гидросфера Земли?

По какому принципу проводится верхняя граница гид­росферы?

Как глубоко проводится нижняя граница гидросферы?

Где находится самый дождливый район земного шара?

В чем заключается зональность распределения атмосфер­ных осадков на планете?

Каков объем льда в Антарктиде?

Назовите в порядке убывания площади океанов Земли.

Каковы причины перемешивания океанических вод?

Каковы состав и минерализация океанической воды, и почему она выбрана эталоном границы между солеными водами и рассолами?

Какие характеристики используются для оценки реч­ного стока?

Что такое гидрограф реки и какие важные генетические характеристики он может дать?

18. Какое озеро содержит примерно 1/4 часть пресных вод озер?

19. В чем причина таких больших различий в результатах рас­четов объема воды в подземной гидросфере, проведенных Ф.А. Мака­ренко и В.Ф. Дерпгольцем?

Как образуются элизионные воды?

Какие виды химически связанных вод вы знаете?

Какова роль астеносферы в жизни нашей планеты?