Кругообіг ПІДЗЕМНИХ ВОД в земній корі

Підземні води присутні в земній корі не тільки в рідкому й газоподібному формах, а й адсорбуються гірськими породами, а також входять до кристалічну решітку багатьох мінералів, беручи участь одночасно в постійних кругообігу.

Кількісна оцінка мас води

Перш ніж перейти до кількісної оцінки мас підземних вод, які беруть участь у кругообігу, необхідно достатньо надійно визначити їх кількість в земній корі.

Найбільш достовірно оцінена маса води, зосередженої на поверхні Землі - 1.3 · 1024г; основна її частина утворює Світовий океан. менш точно оцінюється кількість води в земній корі, хоча спроб отримати відповідне значення робилося чимало. Постаралися зробити це і ми.

Кількість хімічно зв'язаної води (структурної), що міститься в осадовому чохлі та інших оболонках земної кори, ухвалене за даними найбільш повної та грунтовної зведення А. Б. Ронова, А. А. Ярошевского [1, 2]. Маси вільних і фізично пов'язаних вод (адсорбованих) розраховані, виходячи з умови повного заповнення ними порового простору гірських порід. Був використаний великий фактичний матеріал, отриманий при бурінні на континентах і в океані. На підставі аналізу лабораторних досліджень кернового матеріалу визначені особливості зміни з глибиною пористості основних типів осадових порід у межах платформних і геосинклінальних блоків континентів, опадів субконтінентальной і океанічної кори. Всього в осадовою оболонці земної кори міститься, за нашими даними, 3.0 · 1023 г, тобто приблизно в 4.5 рази менше, ніж у сучасному океані.

Більш складна оцінка кількості води в гранітної та базальтової оболонках. Для вирішення проблеми були залучені результати теоретичних досліджень А. Б. Ронова, Ф. А. Летнікова і У. Файф. Загальна кількість підземних вод у цих оболонках приблизно 4.3 · 1023г. Сумарна кількість всіх типів природних вод, що містяться в земній корі, за нашими даними, становить 7.3 · 1023г, близько 50% від маси поверхневої гідросфери (табл.1).

(статечні показники зліва направо - 24, 20, 20, 20)

Глобальні потоки підземних вод

Підземні води являють собою рухому фазу земної кори і знаходяться в постійному кругообігу.
Відомості про глобальне кругообігу природних вод для поверхневих циклів, включаючи масоперенос підземних вод у верхній гідродинамічної зоні активного водообміну, вже давно ввійшли до шкільних підручників. У той же час відбуваються кругообіг вод глибоких горизонтів земної кори. Оцінюючи масоперенос цих вод, ми розглядали форми їх існування, тобто зв'язок між рідкою і твердою фазами (підземними водами і гірськими породами), а також вплив тиску і температури, які обмежують існування таких зв'язків. Виділяються три основних типи масопереносу підземних вод: гідрогеологічний, реалізований вільними потоками; літогенетіческій, який визначається фізично пов'язаної водою, і геологічний, обумовлений переносом і виділенням води, що входить до кристалічну решітку мінералів [3].

гідрогеологічний цикл кругообігу є пересування вільних вод від області живлення до місць їх розвантаження на земній поверхні. У ньому виділяються потоки зони активного водообміну, пов'язані з верхніми частинами земної кори і дреніруемих місцевої ерозійної мережею, і потоки глибокого уповільненого водообміну, розвантаження яких здійснюється в найбільш врізаних долинах великих річок, улоговинах озер або в прибережних частинах морських басейнів. Маса вод, що беруть участь в гідрогеологічному циклі, підрахована з хорошою точністю і становить для верхньої зони 9.6 · 1018г/год, та нижньої - 0.6 · 1018 (табл. 2).

(статечні показники в шапці - 24, 24; в стовпці - 18, 15, 15, 15, 15, 15, 18, 15)

Літогенетіческій цикл кругообігу підземних вод полягає у фізичному зв'язування води під час седиментації, наступному перенесення її разом з породами в більш глибокі частини осадових басейнів, де вона при досягненні певних температур і тисків поступово переходить частково в вільне, а частково в хімічно пов'язане стан. Існують дві основні галузі літогенетіческіх массопотоков: континентальна і океанічна.

При зануренні і ущільненні порід в осадових басейнах континентів фізично зв'язана вода переходить у вільний стан. Інтенсивність цього процесу оцінюється в 4.4 · 1015г/год. Більша частина вод надходить у водоносні горизонти і в кінцевому результаті потрапляє на земну поверхню. Перетворення пов'язаних вод у вільні обумовлює виникнення зон аномально високих пластових тисків, в яких часто формуються нафтові поклади. У випадку перевищення гідростатичного тиску над літостатіческім (тобто міцністю) гірські породи тріскаються й води впроваджуються в вищерозміщені товщі. Надалі відбувається їх розвантаження на земній поверхні або в морських акваторіях - у вигляді грязьового вулканізму.

У межах океанічного блоку земної кори фізично пов'язані води осадових порід (I сейсмічного шару) в процесі дрейфу літосферних плит і наступної субдукції опускаються за що вміщають їх породами під континентальну кору. Утворюються острівні дуги і активні околиці континентів, де в кінцевому підсумку вода також переходить у вільний стан, беручи участь у формуванні гідросфери цих активних структур. Інтенсивність виділення вільних вод оцінена (виходячи зі змісту в породах зв'язаної води і максимального часу їх існування ~ 200 млн. років) в 0.4 · 1015г/год.

Геологічний цикл масопереносу підземних вод характеризується послідовними процесами гідратації мінералів і в міру занурення гірських порід подальшою їх дегідратацією в ході регіонального метаморфізму.

На континентах вода пов'язана з гранітно-метаморфічної оболонкою. Направлені вниз фізично пов'язані води, що виділяються в осадових басейнах, - основне джерело гідратації порід на ранніх етапах метаморфізму. Більш глибокі горизонти характеризуються зростанням тиску та температури і відповідно більш високими стадіями метаморфізму. У цих умовах хімічно пов'язані води переходять у вільний стан. Інтенсивність цього процесу невелика і складає приблизно 0.04 · 1015г/год. Формування зон обводнених розущільнення порід, розкритих Кольської надглибокій свердловиною на глибині 6-8 км в межах Балтійського щита, мабуть, пов'язано з подібними процесами.

Більш динамічний геологічний цикл масопереносу підземних вод з вулканогенно-осадовими і базальтовими породами (II і III сейсмічних шарів) океанічної кори. Він характеризується процесами гідратації основних порід у ході ріфтогенеза, переносом гідратованих порід в результаті дрейфу літосферних плит і наступної дегідратацією при регіональному метаморфізмі в зонах занурення під континентальну кору. Маса що виділяються при цьому вільних вод (виходячи зі змісту хімічно зв'язаної води в породах океанічної кори і максимального часу їх існування ~ 200 млн. р.) оцінена в 0.4 · 1015г/год. Утворені в результаті цього високотемпературні флюїди - одне з джерел живлення гідротерм острівних дуг і активних континентальних окраїн і один з діючих сил розвитку вулканічних процесів. Маса щорічно утворюються під час виверження порід ~ 6.1015 г/рік, середній вміст води в магмі приблизно 3%; при грубому підрахунку виявляємо, що у вулканічному процесі бере участь ~ 0.2 · 1015г/год води.

Особливості фазових переходів води при високих температурах і тріщинуватість порід приводять до формування в зонах острівних дуг і активних континентальних околиць гідротермальних конвективних ячей, що сходить ланка яких - холодні океанічні або метеорні води (атмосферні опади). Сонце, що ж ланка ячей складається з трьох основних джерел: фізично і хімічно пов'язаних вод, що виділяються з осадових і вулканічних порід океанічного блоку земної кори, а також висхідного потоку нагрітих підземних "колишніх" метеорних вод. Сумарний висхідний гідротермальний массопоток на підставі даних про конвективної винесення тепла подібними системами оцінений в 4.1015 г/рік. Приблизно 15% гідротермального массопотока (0.6 · 1015г/год) припадає на частку звільняються, пов'язаних вод, а інші 85% (3.4 · 1015 г/рік) - на частку низхідній і висхідній гілок гідротермальних вод метеорного походження.

Нарешті, необхідно коротко зупинитися на массопотоке води з мантії. Мантійних флюїд можна розглядати як суміш водневого і вуглеводневої компонентів. При міграції, пов'язаної з висхідною гілкою конвекції речовини мантії, відбувається окислення його складових, що в кінцевому підсумку призводить до синтезу води, маса якої приблизно оцінюється в 0.25 · 1015 г/рік.

Таким чином, кількісна оцінка структури основних массопотоков підземних вод в земній корі показує, що серед них домінують води, що формують гідрогеологічний цикл кругообігу. Його массопотокі більш ніж на три-чотири порядки перевищують маси фізично пов'язаних (адсорбованих) вод, що виділяються в ході літогенетіческого циклу, і на чотири-п'ять порядків - маси хімічно пов'язаних вод (що входять в структуру мінералів), що звільняються в процесі геологічного циклу кругообігу.

Разом з тим перехід таких вод у вільний стан, що реалізовується в товщі земної кори, має винятково велике геологічне значення. З подібними процесами пов'язані істотні зміни речовини гірських порід, формування родовищ корисних копалин (у тому числі і горючих), а також розвиток ряду ендогенних, часто катастрофічних, явищ.

Вплив підземних вод на зміну рівня Каспію

У цій частині статті ми спробуємо показати, як отримані досить загальні дані можна використовувати при вирішенні конкретних питань.

Найбільш придатною моделлю виявився Каспійський осадовий басейн. Він привертає увагу, з одного боку, як найбільша нафтогазоносна провінція, а з іншого - у зв'язку з різкою зміною рівня моря, що стався на рубежі 70-80-х років. Значне підвищення рівня Каспію стало великим сюрпризом для гідрологів, які намагалися пояснити цей феномен зміною водного балансу Землі. Геологи ж, що підключилися до вирішення проблеми, пов'язують це явище з особливостями тектонічного розвитку каспійської западини. Так Н. А. Шило та ін висловили припущення про зв'язок рівня Каспію з напругою в земній корі: відходом води з його акваторії в надра при розтягу та надходженням - при стисненні.

Улоговина Каспійського моря (територія, зайнята акваторією моря) витягнута в меридіональному напрямку. Довжина її близько 1200 км, а ширина -- близько 320 км. Загальна маса води в Каспійському морі досягає 0.8 · 1020 г, а середня глибина - 160 м.

Баланс підземних вод осадового чохла Південної мегавпадіни Каспійського басейну, 1020г. Римськими цифрами позначені: I -- Каспійське море, II - пліоцен-четвертинний осадовий комплекс, III - допліоценовий осадовий комплекс.

Баланс підземних вод осадового чохла каспійської западини. Римськими цифрами позначені: I - Прикаспійська синекліза; II - Туранська плита; III - область альпійської складчастості Середнього Каспію; IV - область альпійської складчастості Південного Каспію; V - Каспійська западина. Легенда зверху вниз - маса вод, захоплених в ході седиментацією, що виділилися при еволюції осадового чохла, що збереглися в осадовому чохлі.

Сучасний орієнтовний баланс природних вод літосфери. 1 - маса природних вод, що містяться в окремих ланках гідросфери і оболонках земної кори; 2 - перенесення вільних природних вод, г/рік; 3 - перехід природних вод з вільного в пов'язане стан, г/рік; 4 - перехід природних вод із зв'язаного у вільний стан, г/год.

(Поважні показники в певом стовпці: 2, 21, 21, 20, 20, 20)

На території, яка зайнята сучасним Каспієм, виділяються три основних геолого-структурних елементи: в північній частині - південь Прикаспійської синекліза, в центральній - скіфсько-Туранська плита, на заході і півдні - зона альпійської складчастості. Остання в свою чергу ділиться на Північно-Західну, примикає до східного краю Великого Кавказу, і Південну, що представляє собою велику мегавпадіну на базальтовому підставі.

Це районування і лягло в основу наближеної оцінки мас підземних вод в осадовому чохлі Каспійського басейну. Потужність порід в ньому коливається від 5-6 км у зоні скіфсько-Туранської плити до 30 км у Південній мегавпадіне. За нижню межу осадових відкладень прийняті різновікові породи консолідованого фундаменту.

Для кількісних розрахунків побудована наближена просторова модель Каспійського осадового басейну. По ній були оцінені середні потужності, обсяг і маса порід осадового чохла для головних геолого-структурних елементів.

Для розрахунку кількості води в осадовому чохлі Каспію використовувалася методика, про яку ми розповіли вище. Більшість параметрів (особливо значення пористості гірських порід різних типів) отримані за результатами буріння в межах Дагестану, тобто в безпосередній близькості від Каспію. З досить наближених розрахунків виходить, що в осадовою товщі Каспійського басейну міститься приблизно 11.9 · 1020г пов'язаних і вільних підземних вод, з яких на останні припадає 7.4 · 1020г, що практично на порядок перевищує масу води Каспійського моря (0.8 · 1020 г). Причому переважна частина цих вод (5.3 · 1020г) зосереджена у Південно-Каспійської западині [4].

Геологічна історія каспійської западини тісно пов'язана з розвитком океанічних і морських басейнів, і в першу чергу Тетіса. Еволюція Південного Каспію була пов'язана з морською седиментацією [5]. У Середньому та Північному Каспії ж існували окремі перерви в морському опадонакопичення. Проте вони не відіграли значну роль у формуванні осадовою товщі, і тому для наших розрахунків можна припустити, що основна маса осадового чохла формувалася в присутності природних поверхневих вод. Осідаючи, мінеральна речовина захоплює значну кількість фізично пов'язаних вод [6].

За час існування западини осадовими породами при седиментації захоплено понад 40.7 · 1020г вільних і фізично пов'язаних вод. З них 7.4 · 1020г збереглися до теперішнього часу. Більша ж частина (33.3 · 1020г) в ході еволюції западини виділилася і вступила назад у океанічні і морські акваторії (табл. 3). У межах Північного й Середнього Каспію складові балансу невеликі і порівняно близькі один одному. Різко виділяється Південний Каспій, на частку якого припадає приблизно 2/3 маси підземних вод. У осадовою товщі Південної мегавпадіни Каспію за 185 мільйонів років еволюції було акумульовано 24.9 · 1020г вільних і фізично пов'язаних підземних вод. У процесі розвитку басейну 19.6 · 1020 р повернуто назад, причому 6.2 · 1020г з них припадає на останні 5 млн. років.

Якщо розподілити всю масу води, що виділилася з верхнього поверху осадовою товщі Південного Каспію, на площі сучасного Каспію, то за 5 млн років повинен був утворитися шар потужністю 1.68 км. Розрахунок носить, звичайно, умовний характер, тому що насправді протягом розглянутого відрізку часу Каспій мав іншу, ніж в сучасну епоху, площа акваторії, іноді більшу, а іноді меншу.

Спробуємо також оцінити сумарний підйом рівня Каспію за той же среднепліоцен-четвертинний час. Для цього були використані криві зміни рівня Каспію, побудовані Ю. Г. Леоновим з колегами по сейсмостратіграфіческім даними [7]. Було зафіксовано 23 досить тривалих етапу підйому рівня тривалістю від 20 до 600 тис. років, з амплітудою від 10 до 580 м.

Сумарна величина всіх підйомів рівня Каспію за 5 млн років дорівнює 1.8 км, тобто досить близька до шару підземних вод, що виділилися з среднепліоцен-четвертинних відкладень тільки Південної западини за той же період.

Але необхідно мати на увазі розбіжність акваторій басейну Каспію в минулому?? сьогоденні. Крім того, джерелом вільних і пов'язаних вод осадового чохла Каспію можуть бути і потоки, частина яких захоронюються в процесі еволюції осадового басейну і таким чином вже входить у водний баланс моря. І нарешті, що розглядаються коливання рівня мають макрохарактер, а численні мікроколебанія, тривалістю від кількох до десятків років, залежать не тільки від кліматичних, але й інших факторів, у тому числі і розвантаження підземних вод осадового чохла, у розрахунках не враховуються.

Якщо допустити існування загальноприйнятого седіментогенного режиму в Каспійському басейні, то середні темпи виділення підземних вод з верхнього поверху осадовою товщі Південного Каспію за останні 5 млн. років повинні скласти 0.1 · 1015г/год. Однак як нещодавно показав В. І. Дюнін, в сучасних осадових басейнах вертикальні массопотокі підземних вод переважають над горизонтальними, що ми, мабуть, і спостерігаємо в межах Каспію.

Високої швидкістю опадонакопичення в Південній улоговині Каспію пояснюється розущільнення глинистих порід вже на порівняно невеликих (~ 2 км) глибинах і формування аномально високих пластових тисків, що створюють своєрідний гідродинамічний режим осадовою товщі. У осадовому чохлі Каспію на відміну від інших подібних районів зона розущільнення порід існує і на великих глибинах. Вона встановлена в Південній улоговині на глибинах 7-13 км [8]. Середня її потужність ~ 4 км, а при 10% пористості ця область повинна містити ~ 0.6 · 1020 г води, що близько до маси води в сучасному Каспії. Мабуть, це і є той резерв, який за сприятливих умов може розвантажуватися до акваторії Каспію. Маса ж цих вод на чотири порядки більше маси води, яка визначає щорічний підйом (починаючи з 1978 р.) моря (1.1 · 1016 г/рік).

Які ж висновки можна зробити з наведених спостережень і розрахунків? Підземні води, що виділяються з осадового чохла Південного Каспію, вносять певний внесок у піднесення його рівня. Але швидше за все вони тільки один з багатьох складових. Повністю пояснити підйом рівня протягом тривалого часу вони все ж не можуть.

Підводячи підсумок всього вищесказаного, відзначимо, що маса підземних вод в земній корі досить велика, і вони з різною швидкістю беруть участь у постійному кругообігу. Зазвичай в науковій і особливо науково-популярній літературі розглядають кругообіг підземних вод зони активного водообміну (гідрогеологічний в нашій класифікації), з яким пов'язані як проблеми водопостачання, так і розвиток більшості екзогенних геологічних процесів. Але виявляється, що не менше значення мають і массопотокі підземних вод більш глибоких горизонтів. За певних тектонічних процесах вони можуть призводити до вступу значних мас води в моря, регулюючи (у разі замкнутості останніх) їхній рівень, як це можливо відбувається на Каспії.

Література

1. Ронов А.Б. Осадові оболонки Землі. М., 1988.

2. Ронов А.Б., Ярошевський А.А.// Геохімія. 1976. № 12. С.1763-1795.

3. Звєрєв В.П. Массопотокі підземної гідросфери. М., 1999.

4. Звєрєв В.П., Варваніна О.Ю., Костикова І.А.// Геоекологія. 1998. № 5. С.93-99.

5. Звєрєв В.П., Костикова І.А.// Геоекологія. 1999. № 3. С.260-267.

6. Звєрєв В.П. Гідрогеохімія осадового процесу. М., 1993.

7. Леонов Ю.Г., Антипов М.П., Волож Ю.А. и др.// Глобальні зміни природного середовища. Новосибірськ, 1998. С.39-57.

8. Гулієв І.С., Павлінова Н.І., Роджанов М.М.// Литология і корисні копалини. 1998. № 5. С.130-176.