Происхождение подземных вод и основные теории их происхождения

Еще в I в. до н.э. Марк Витрувий Полий полагал, что подземные воды образуются за счет поглощения дождевых и снеговых вод. Платон считал возможным проникновение в горные породы со­леных вод моря, он допускал, что по мере продвижения в породах морские воды освобождаются от солей и в виде пресных родников выходят на поверхность. Так, по его мнению, из морских соленых вод образуются пресные воды. Аристотель (384—322 гг. до н.э.) считал, что подземные воды возникают путем сгущения холодного воздуха в пустотах горных пород. Г. Агрикола (1494—1555) объяснял образование подземных вод сгущением на больших глубинах паров, содержащихся в воздухе.

М.В. Ломоносов (1711—1765) в своих работах развивал взгляды об инфильтрационном происхождении подземных вод. Э. Зюсс (1831-1914) в 1902 г. выступил с теорией магматического проис­хождения вод. Он считал, что они выделяются из магмы при ее внедрении в земную кору. Эти глубинные воды Зкэсс назвал юве­нильными (девственными) и противопоставлял их водам, блужда­ющим в земной коре, т.е. вадозным водам. Эти ученые указали че­тыре основных источника образования подземных вод: атмос­ферные осадки, пары воздуха, морские воды и воды магмы.

В настоящее время существует четыре основные теории проис­хождения подземных вод:

1. инфильтрационная теория, согласно которой подземные воды образуются в результате просачивания в породы атмосферных и по­верхностных вод;
2. конденсационная теория, допускающая конденсацию водных паров атмосферного и почвенного воздуха с образованием капель­ножидких свободных вод в поверхностных слоях земной коры;
3. седиментационно-диагенетическая теория, объясняющая об­разование подземных вод проникновением морских иловых вод в толщи пород на различных стадиях осадкообразования и позже (Н.И. Андрусов, В.И. Вернадский, Г.Н. Каменский);
4. теория магматических (ювенильных) вод.

В природе подземные воды образуются и смешанным путем, что подтверждается их химическим и газовым составом, режимом и данными о пьезометрических напорах. Воды смешанного проис­хождения, пожалуй, самые распространенные. Большинство иссле­дователей полагает, что легколетучие компоненты Н₂0 и С0₂ выде­ляются из верхней мантии и проникают в Мировой океан и земную кору в виде готовых соединений. Этот процесс происходил на ранних стадиях образования Земли и происходит, видимо, сейчас в рифтовых разломах срединно-океанических хребтов, о чем свидетельствуют излияния базальтовых лав.

Состав атмосферы, гидросферы и земной коры изменялся в те­чение геологического времени. Из магмы вследствие интенсивной вулканической деятельности выделялись водяные пары и газы. По­лагают, однако, что эти поступления были незначительными. Вы­яснение всех этих сложных вопросов — одна из задач современной науки.

Для дальнейшего развития представлений о накоплении и фор­мировании вод большое значение имел постулат В.И. Вернадского, выраженный в системе «породы — природная вода — газ — живое вещество», показывающий единство подземных вод в атмосфере, гидросфере и литосфере. В этом сложном процессе следует разли­чать: возникновение молекул воды; образование связанных и сво­бодных вод; формирование вещественного, химического и газового состава.

Накопление подземных вод можно представить как процесс воз­никновения вод под действием сил тяжести, а также капиллярных и молекулярных сил вблизи поверхности Земли (например, во время паводков речные воды просачиваются в аллювиальные отло­жения и, питая грунтовые воды, вызывают подъем их поверхности).

Формирование подземных вод — длительный физико-хими­ческий процесс преобразования, происходящий на различных глу­бинах при разных температурах и давлениях и включающий испа­рение и конденсацию, катионный обмен между водами и породами. Эти процессы иногда сопровождаются выдавливанием вод при уп­лотнении илов, а позднее и пород, деятельностью бактерий, диф­фузией, перетеканием и разгрузкой вод через «литологические окна» в глинистых перекрытиях. Таким образом, в верхних слоях земной коры возникают молекулы воды, накапливаются подземные воды, формируется их вещественный, химический и газовый состав.

В настоящее время имеются попытки реставрировать в какой-то мере гипотезу ювенильных вод Э. Зюсса; при этом в качестве дока­зательства приводятся данные о том, что в современном Мировом океане отмечается избыточное количество хлора по сравнению со щелочами. Этот факт нельзя объяснить химической денудацией континентов, следовательно, хлор имеет эндогенное происхождение. Полагают, что хлор и некоторые летучие соединения брома и йода накапливаются в результате повсеместного и непрерывного диф­фузионного проникновения летучих веществ из верхней мантии, в частности из магмы, через толщу земной коры.

В магматических очагах содержится значительное количество воды, но сколько ее достигает поверхности земли при вулкани­ческих извержениях, установить трудно. Геохимики называют раз­личные цифры содержания воды в магме — от 0,5 до 8%. В связи с этим интересны воды Камчатки. Отечественные исследователи, изучавшие лавы камчатских вулканов, по-разному определяют со­держание в них воды — от 0,1 до 5,5%. Состав углекислых и тер­мальных вод крайне разнообразен — из ионов обнаружены железо, мышьяк, марганец, медь, алюминий, цинк, большое количество сульфидов и кремнекислоты. Роль эндогенных (ювенильных) вод в формировании термальных вод молодой вулканической области Камчатки остается невыясненной (С.Р. Крайнов и др., 1980).

Современная гидрогеология не располагает необходимыми дан­ными для того, чтобы оценить долю магматических вод в общей массе литосферы. Но она также не располагает и материалами, по­зволяющими утверждать, что водные растворы магматического происхождения занимают весьма небольшое место в общей массе. Установлено, что в осадочных породах содержится значительное количество связанной воды — в среднем около 4,31%, что сопоста­вимо с содержанием таких оксидов, как СаО и Fe₂0₃ (соответ­ственно 5,4 и 3,4%).

Весьма велико содержание воды (60—99,7%) в животных и рас­тительных организмах, обитающих в придонных илах. После их ги­бели часть этой воды уходит, а другая поступает в морские осадки. В дальнейшем воды переходят в породы и при благоприятной гео­логической обстановке (отсутствие перерывов в осадконакоп- лении) сохраняются в них длительное время (например, в породах Прикаспийской впадины).

В последние годы геологи, выясняющие роль вод в регио­нальном метаморфизме, установили большое значение растворов, освобождающихся при метаморфической перекристаллизации оса­дочных пород. Даже в уплотненных глинистых породах сохраняется часть воды, находящейся в сорбированном состоянии. Кроме того, в этих породах присутствует кристаллизационная вода, входящая в кристаллическую решетку глинистых минералов. Количество ее, по мнению Ф. Петтиджону и др., в глинистых породах составляет примерно 5%, в песчаниках — 1,6 %, в известняках — 0,8%. Таким образом, осадочные породы являются огромным источником седи- ментационных глубинных вод.

Экспериментальными работами установлено, что:

• с увеличением глубины залегания происходят уплотнение оса­дочных пород и уменьшение их пористости;
• под влиянием геостатической нагрузки происходят отжатие и выделение свободной воды;
• при эксплуатации артезианских вод происходит расширение вод и пород и образуется так называемая упругая система.

Пористость пород уменьшается не только с глубиной, но и с увеличением их возраста. Так, пористость глинистых пород кай­нозоя составляет 50%, мезозоя — 34% и палеозоя — не более 10%. Молодые, только что отложившиеся донные осадки (илы) очень рыхлые (пористость 80—90%) и содержат много воды. Уменьшение пористости с глубиной позволяет ориентировочно определить объем воды, выдавливаемой из пород под влиянием геостатической нагрузки. Так, А.А. Алексин выражает этот объем цифрой порядка 1 млн км³ и полагает, что за 370 млн лет, прошедших со времени среднего девона, этот объем можно приравнять к расходу воды род­ником в объеме 100 л/с.

При процессах уплотнения, происходящих при седиментационных циклах, большое количество отжимаемых из глин связанных вод переходит в свободное состояние и циркулирует в пластах. Таким образом, очевидно, что пути накопления седиментационных вод весьма многообразны:

• иловые воды, отжатые из свежих илов при их уплотнении на ранней стадии диагенеза;
• воды, выделяющиеся при разложении животных и растительных организмов;
• постседиментационные воды, выдавливаемые при уплотнении уже затвердевших пород, главным образом глин и глинистых сланцев, при региональном метаморфизме.

Все эти воды сохраняются в осадочных породах длительное время и влияют на минерализацию почв и грунтовых вод. На тер­ритории Восточно-Сибирской платформы ниже местного базиса эрозии распространены преимущественно воды седиментацион- ного происхождения.

В условиях, когда нет современного питания вод, а изучение геологической истории указывает на отсутствие континентальных периодов, т.е. возможность проникновения инфильтрационных вод в горные породы отпадает, накопление и формирование под­земных вод, очевидно, осуществляется иными путями.

По составу это соленые и рассольные бессульфатные воды с сухим остатком от 10 до 350 г/л; для них характерно большое со­держание хлоридов, кальция, брома, йода, бора, лития, стронция, рубидия, органических веществ и газов биохимического происхож­дения. Эти воды обычно называют хлоридными.

Состав соленых и рассольных вод генетически связан с нор­мальными морскими водами или в различной степени засолен­ными осадочными породами, находящимися в зонах затрудненного и крайне затрудненного водообмена.

Воды в большинстве случаев являются в той или иной мере ме- таморфизованными водами морского генезиса. Накопление мор­ских вод происходит в глубоких частях закрытых бассейнов, сло­женных обогащенными органическими веществами — соленос­ными, битуминозными, нефтеносными и угленосными породами.