Физические факторы
Физические факторы (температура, давление, время и пространство) оказывает влияние на формирование химического состава подземных вод любой зоны литосферы.
Температура прежде всего изменяет свойства воды как растворителя. Соли также по-разному реагируют на температурный фактор.
В условиях повышенных температур гидролизу подвергаются простые соли, силикаты и алюмосиликаты. С ростом температуры растворимость натриевых солей в общем увеличивается, а кальциевых (за исключением СаСl2) уменьшается.
Растворимость MgCO3 и СаСO3 даже в воде, насыщенной СO2, с повышением температуры до 100 °С падает до нуля.
При повышении температуры растворимость хлоридов резко увеличивается. Например, растворимость галита при повышении температуры от 25 до 450 °С увеличивается в 3 раза, а сильвина КСl — более чем в 6 раз.
Температура существенно повышает растворимость кварца и кремнезема. Так, при t = 50 °С масса выщелоченного кварца в 1,7 раза больше, чем при t = 25 °С, за одно и то же время. Растворимость аморфной кремнекислоты линейно зависит от температуры; так, она составляет 60-80 мг/дм3 при t = 0 °С, 100-140 мг/дм3 при t = 25 °С, 300-380 мг/дм3 при t = 85-90 °С.
Под воздействием температур происходят выпаривание подземных вод и увеличение их минерализации.
Температура определяет течение не только химических реакций, но и биохимических. Для биохимических процессов порогом является t = 50 °С — начало свертывания белков и замирание органической жизни, хотя жизнедеятельность некоторых видов бактерий возможна и при более высоких температурах.
С температурными условиями тесно связаны подвижность воды и проницаемость пород. В результате повышения температуры с глубиной происходит освобождение физически связанной воды, а также увеличение пористости горных пород и их фильтрационной способности.
Существуют три характерные температурные точки, соответствующие переходу воды из жидкого состояния в твердое и парообразное — 0 °С, 100 °С и 374 °С. В обстановке водоносного пласта точки фазового перехода могут не совпадать с указанными температурами. У всех растворов критическая температура выше, чем у чистой воды (374 °С). В глубоких частях земной коры в условиях высоких давлений критическая температура может достигать 425 °С (В.И. Вернадский).
Таким образом, в процессе циркуляции подземных вод из верхних холодных горизонтов в нижние нагретые температура выступает в роли косвенного фактора метаморфизации химического состава вод. По мере опускания подземных вод под воздействием температурного градиента некоторые соли, выпадая в осадок, постепенно уходят из раствора и заменяются такими солями, для которых высокотемпературная обстановка более благоприятна. В связи с этим изменяется гидрохимический тип воды.
Подземные воды, погружаясь в недра Земли, подвергаются воздействию региональных геотермических полей, обусловленных общим геотермическим градиентом, или воздействию локальных термических аномалий. Геотермический градиент зависит от характера геологических структур, литологического состава пород и т.п. В среднем для верхней части стратисферы температура на каждый 1 км глубины увеличивается на 32,9 °С (33 °С). Появление глубоких вод литосферы наблюдается обычно в районах тектонических нарушений, где они выходят на поверхность в виде горячих источников или парогидротерм.
В артезианских бассейнах (например, в Западно-Сибирском, Предкавказском и др.) гидрокарбонатные кальциевые воды находятся в зоне холодных вод (до 20 °С); сульфатные воды встречаются в температурных зонах до 50 °С, в условиях которых активно протекают процессы десульфатизации; хлоридные воды встречаются в любых температурных зонах.
Хлоридные термальные рассолы по преобладающим катионам являются либо кальциево-натриевыми, либо натриево-кальциевыми, либо даже кальциевыми.
Давление в меньшей степени, чем температура, влияет на растворяющую способность воды. Однако на больших глубинах этот фактор играет существенную роль, поскольку растворяющая способность воды значительно увеличивается. Растворимость некоторых солей с повышением давления на 100 атм увеличивается следующим образом: кальцита СаСO3 на 7,5%, ангидрита на 7,7%, гипса CaSO4 * 2Н2O — на 5,7%, флюорита CaF2 — на 3,3%.
Время и пространство. В процессе формирования химического состава подземных вод существенное значение имеет фактор времени. Процессы, вызывающие изменение химического состава подземных вод, совершаются с геологической длительностью. Гидрохимическое равновесие, особенно верхних горизонтов подземных вод, с течением времени меняется под воздействием тектонических движений, процессов минералообразования, уплотнения и цементации горных пород, выветривания, изменения климатических условий и т.п. В течение геологического времени эти процессы могут касаться и глубоких недр Земли. Однако в отдельных случаях глубинные подземные рассолы несколько геологических периодов могут пребывать в состоянии длительного гидрохимического равновесия. В таких случаях, несмотря на некоторую метаморфизацию рассолов, может сохраняться их первоначальный гидрохимический тип. Анализируя химический состав погребенных вод прошлых геологических эпох и учитывая физико-географические условия прошлого, литологию вмещающих воду пород и проч., можно воспроизвести химическую эволюцию гидросферы.
Значение пространства можно выразить следующим образом: чем длиннее путь движения воды, тем в большей степени при прочих равных условиях она обогащается солями.
В областях развития скальных труднорастворимых пород и при очень длинных путях циркуляции воды могут сохранять низкую минерализацию.