Круговороты подземных вод в земной коре

КРУГОВОРОТЫ ПОДЗЕМНЫХ ВОД В ЗЕМНОЙ КОРЕ Подземные воды присутствуют в земной коре не только в жидкой и газообразной формах, но и адсорбируются горными породами, а также входят в кристаллическую решетку многих минералов, участвуя одновременно в постоянных круговоротах. Количественная оценка масс воды Прежде чем перейти к количественной оценке масс подземных вод, участвующих в круговоротах, необходимо достаточно надежно определить их количество в земной коре.

Наиболее достоверно оценена масса воды, сосредоточенной на поверхности Земли - 1.31024 г основная ее часть образует Мировой океан. менее точно оценивается количество воды в земной коре, хотя попыток получить соответствующее значение предпринималось немало. Постарались сделать это и мы. Количество химически связанной воды структурной, содержащейся в осадочном чехле и других оболочках земной коры, принято по данным наиболее полной и обстоятельной сводки

А.Б.Ронова, А.А.Ярошевского 1, 2. Массы свободных и физически связанных вод адсорбированных рассчитаны, исходя из условия полного заполнения ими порового пространства горных пород. Был использован обширный фактический материал, полученный при бурении на континентах и в океане. На основании анализа лабораторных исследований кернового материала определены особенности изменения с глубиной пористости основных типов осадочных пород в пределах платформенных и геосинклинальных блоков

континентов, осадков субконтинентальной и океанической коры. Всего в осадочной оболочке земной коры содержится, по нашим данным, 3.01023 г, т.е. примерно в 4.5 раза меньше, чем в современном океане. Более сложна оценка количества воды в гранитной и базальтовой оболочках. Для решения проблемы были привлечены результаты теоретических исследований

А.Б.Ронова, Ф.А.Летникова и У.Файфа. Общее количество подземных вод в этих оболочках примерно 4.31023 г. Суммарное количество всех типов природных вод, содержащихся в земной коре, по нашим данным, составляет 7.31023 г, около 50 от массы поверхностной гидросферы табл.1. степенные показатели слева направо - 24, 20, 20, 20 Глобальные потоки подземных вод Подземные воды представляют собой подвижную фазу земной коры и находятся в постоянном круговороте. Сведения о глобальном круговороте природных вод для поверхностных

циклов, включая массоперенос подземных вод в верхней гидродинамической зоне активного водообмена, уже давно вошли в школьные учебники. В то же время происходят круговороты вод глубоких горизонтов земной коры. Оценивая массоперенос этих вод, мы рассматривали формы их существования, т.е. связь между жидкой и твердой фазами подземными водами и горными породами, а также влияние давления и температуры, которые ограничивают существование таких связей. Выделяются три основных типа массопереноса подземных вод гидрогеологический,

реализуемый свободными потоками литогенетический, определяемый физически связанной водой, и геологический, обусловленный переносом и выделением воды, входящей в кристаллическую решетку минералов 3. Гидрогеологический цикл круговорота представляет собой передвижение свободных вод от области питания к местам их разгрузки на земной поверхности. В нем выделяются потоки зоны активного водообмена, связанные с верхними частями земной коры и дренируемые местной эрозионной сетью, и потоки глубокого замедленного

водообмена, разгрузка которых осуществляется в наиболее врезанных долинах крупных рек, котловинах озер или в прибрежных частях морских бассейнов. Масса вод, участвующих в гидрогеологическом цикле, подсчитана с хорошей точностью и составляет для верхней зоны 9.61018 ггод, и нижней - 0.61018 табл.2. степенные показатели в шапке - 24, 24 в столбце - 18, 15, 15, 15, 15, 15, 18, 15 Литогенетический цикл круговорота подземных вод заключается в физическом

связывании воды в ходе седиментации, последующем переносе ее вместе с породами в более глубокие части осадочных бассейнов, где она при достижении определенных температур и давлений постепенно переходит частично в свободное, а частично в химически связанное состояние. Существуют две основные ветви литогенетических массопотоков континентальная и океаническая. При погружении и уплотнении пород в осадочных бассейнах континентов физически связанная вода переходит

в свободное состояние. Интенсивность этого процесса оценивается в 4.41015 ггод. Большая часть вод поступает в водоносные горизонты и в конечном итоге попадает на земную поверхность. Превращение связанных вод в свободные обусловливает возникновение зон аномально высоких пластовых давлений, в которых часто формируются нефтяные залежи. В случае превышения гидростатического давления над литостатическим т.е. прочностью горные породы трескаются и воды внедряются в вышележащие толщи.

В дальнейшем происходит их разгрузка на земной поверхности или в морских акваториях - в виде грязевого вулканизма. В пределах океанического блока земной коры физически связанные воды осадочных пород I сейсмического слоя в процессе дрейфа литосферных плит и последующей субдукции опускаются с вмещающими их породами под континентальную кору. Образуются островные дуги и активные окраины континентов, где в конечном итоге вода также переходит в свободное состояние, принимая участие в формировании гидросферы

этих активных структур. Интенсивность выделения свободных вод оценена исходя из содержания в породах связанной воды и максимального времени их существования 200 млн лет в 0.41015 ггод. Геологический цикл массопереноса подземных вод характеризуется последовательными процессами гидратации минералов и по мере погружения горных пород последующей их дегидратацией в ходе регионального метаморфизма. На континентах вода связана с гранитно-метаморфической оболочкой.

Направленные вниз физически связанные воды, выделяющиеся в осадочных бассейнах основной источник гидратации пород на ранних этапах метаморфизма. Более глубокие горизонты характеризуются ростом давления и температуры и соответственно более высокими стадиями метаморфизма. В этих условиях химически связанные воды переходят в свободное состояние. Интенсивность этого процесса невелика и составляет примерно 0.041015 ггод.

Формирование зон обводненных разуплотненных пород, вскрытых Кольской сверхглубокой скважиной на глубине 6-8 км в пределах Балтийского щита, по-видимому, связано с подобными процессами. Более динамичен геологический цикл массопереноса подземных вод с вулканогенно-осадочными и базальтовыми породами II и III сейсмических слоев океанической коры.

Он характеризуется процессами гидратации основных пород в ходе рифтогенеза, переносом гидратированных пород в результате дрейфа литосферных плит и последующей дегидратацией при региональном метаморфизме в зонах погружения под континентальную кору. Масса выделяющихся при этом свободных вод исходя из содержания химически связанной воды в породах океанической коры и максимального времени их существования 200 млн лет оценена в 0.41015 ггод. Образующиеся в результате этого высокотемпературные флюиды - один из источников

питания гидротерм островных дуг и активных континентальных окраин и одна из действующих сил развития вулканических процессов. Масса ежегодно образующихся при извержении пород 61015 ггод, среднее содержание воды в магме примерно 3 при грубом подсчете обнаруживаем, что в вулканическом процессе принимает участие 0.21015 ггод воды. Особенности фазовых переходов воды при высоких температурах и трещиноватость пород приводят к формированию в зонах островных дуг и активных континентальных окраин гидротермальных конвективных

ячей, нисходящее звено которых - холодные океанические или метеорные воды атмосферные осадки. Восходящее же звено ячей складывается из трех основных источников физически и химически связанных вод, выделяющихся из осадочных и вулканических пород океанического блока земной коры, а также восходящего потока нагретых подземных бывших метеорных вод. Суммарный восходящий гидротермальный массопоток на основании данных о конвективном выносе тепла подобными системами оценен в 41015 ггод.

Примерно 15 гидротермального массопотока 0.61015 ггод приходится на долю освобождающихся связанных вод, а остальные 85 3.41015 ггод - на долю нисходящей и восходящей ветвей гидротермальных вод метеорного происхождения. Наконец, необходимо кратко остановиться на массопотоке воды из мантии. Мантийный флюид можно рассматривать как смесь водородного и углеводородного компонентов. При миграции, связанной с восходящей ветвью конвекции вещества мантии, происходит окисление его составляющих,

что в конечном итоге приводит к синтезу воды, масса которой приближенно оценивается в 0.251015 ггод. Таким образом, количественная оценка структуры основных массопотоков подземных вод в земной коре показывает, что среди них доминируют воды, формирующие гидрогеологический цикл круговорота. Его массопотоки более чем на три-четыре порядка превышают массы физически связанных адсорбированных вод, выделяющихся в ходе литогенетического цикла, и на четыре-пять порядков - массы химически связанных

вод входящих в структуру минералов, освобождающихся в процессе геологического цикла круговорота. Вместе с тем переход таких вод в свободное состояние, реализуемый в толще земной коры, имеет исключительно большое геологическое значение. С подобными процессами связаны существенные изменения вещества горных пород, формирование месторождений полезных ископаемых в том числе и горючих, а также развитие ряда эндогенных, часто катастрофических, явлений. Влияние подземных вод на изменение уровня

Каспия В этой части статьи мы попытаемся показать, как полученные довольно общие данные можно использовать при решении конкретных вопросов. Наиболее подходящей моделью оказался Каспийский осадочный бассейн. Он привлекает внимание, с одной стороны, как крупнейшая нефтегазоносная провинция, а с другой - в связи с резким изменением уровня моря, произошедшего на рубеже 70-80-х годов. Значительное повышение уровня Каспия стало большим сюрпризом для гидрологов, которые пытались объяснить

этот феномен изменением водного баланса Земли. Геологи же, подключившиеся к решению проблемы, связывают это явление с особенностями тектонического развития Каспийской впадины. Так Н.А.Шило и др. высказали предположение о связи уровня Каспия с напряжениями в земной коре уходом воды из его акватории в недра при растяжении и поступлением - при сжатии. Впадина Каспийского моря территория, занятая акваторией моря вытянута в меридиональном

направлении. Длина ее около 1200 км, а ширина - около 320 км. Общая масса воды в Каспийском море достигает 0.81020 г, а средняя глубина - 160 м. Баланс подземных вод осадочного чехла Южной мегавпадины Каспийского бассейна, 1020 г. Римскими цифрами обозначены I - Каспийское море, II - плиоцен-четвертичный осадочный комплекс,

III - доплиоценовый осадочный комплекс. Баланс подземных вод осадочного чехла Каспийской впадины. Римскими цифрами обозначены I - Прикаспийская синеклиза II - Туранская плита III - область альпийской складчатости Среднего Каспия IV - область альпийской складчатости Южного Каспия V - Каспийская впадина. Легенда сверху вниз - масса вод, захваченных в ходе седиментацией,

выделившихся при эволюции осадочного чехла, сохранившихся в осадочном чехле. Современный ориентировочный баланс природных вод литосферы. 1 - масса природных вод, содержащихся в отдельных звеньях гидросферы и оболочках земной коры 2 - перенос свободных природных вод, ггод 3 - переход природных вод из свободного в связанное состояние, ггод 4 - переход природных вод из связанного в свободное состояние, ггод.

Степенные показатели в певом столбце 2, 21, 21, 20, 20, 20 На территории, занимаемой современным Каспием, выделяются три основных геолого-структурных элемента в северной части - юг Прикаспийской синеклизы, в центральной - Скифско-Туранская плита, на западе и юге - зона альпийской складчатости. Последняя в свою очередь делится на Северо-Западную, примыкающую к восточной оконечности

Большого Кавказа, и Южную, представляющую собой крупную мегавпадину на базальтовом основании. Это районирование и легло в основу приближенной оценки масс подземных вод в осадочном чехле Каспийского бассейна. Мощность пород в нем колеблется от 5-6 км в зоне Скифско-Туранской плиты до 30 км в Южной мегавпадине. За нижнюю границу осадочных отложений приняты разновозрастные породы консолидированного фундамента.

Для количественных расчетов построена приближенная пространственная модель Каспийского осадочного бассейна. По ней были оценены средние мощности, объем и масса пород осадочного чехла для главных геолого-структурных элементов. Для расчета количества воды в осадочном чехле Каспия использовалась методика, о которой мы рассказали выше. Большинство параметров особенно значение пористости горных пород различных типов получены по результатам

бурения в пределах Дагестана, т.е. в непосредственной близости от Каспия. Из довольно приближенных расчетов следует, что в осадочной толще Каспийского бассейна содержится примерно 11.91020 г связанных и свободных подземных вод, из которых на последние приходится 7.41020 г, что практически на порядок превышает массу воды Каспийского моря 0.81020 г. Причем подавляющая часть этих вод 5.31020 г сосредоточена в

Южно-Каспийской впадине 4. Геологическая история Каспийской впадины тесным образом связана с развитием океанических и морских бассейнов, и в первую очередь Тетиса. Эволюция Южного Каспия была сопряжена с морской седиментацией 5. В Среднем и Северном Каспии же существовали отдельные перерывы в морском осадконакоплении. Однако они не сыграли значительной роли в формировании осадочной толщи, и поэтому для наших расчетов

можно допустить, что основная масса осадочного чехла формировалась в присутствии природных поверхностных вод. Осаждаясь, минеральное вещество захватывает значительное количество физически связанных вод 6. За время существования впадины осадочными породами при седиментации захвачено более 40.71020 г свободных и физически связанных вод. Из них 7.41020 г сохранились до настоящего времени. Большая же часть 33.31020 г в ходе эволюции впадины выделилась и поступила обратно в океанические и

морские акватории табл.3. В пределах Северного и Среднего Каспия составляющие баланса невелики и сравнительно близки друг другу. Резко выделяется Южный Каспий, на долю которого приходится примерно 23 массы подземных вод. В осадочной толще Южной мегавпадины Каспия за 185 млн лет эволюции было аккумулировано 24.91020 г свободных и физически связанных подземных вод. В процессе развития бассейна 19.61020 г возвращено обратно, причем 6.21020

г из них приходится на последние 5 млн лет. Если распределить всю массу воды, выделившуюся из верхнего этажа осадочной толщи Южного Каспия, на площади современного Каспия, то за 5 млн лет должен был образоваться слой мощностью 1.68 км. Расчет носит, конечно, условный характер, так как в действительности в течение рассматриваемого отрезка времени Каспий имел иную, чем в современную эпоху, площадь акватории, иногда большую, а иногда меньшую.

Попробуем также оценить суммарный подъем уровня Каспия за то же среднеплиоцен-четвертичное время. Для этого были использованы кривые изменения уровня Каспия, построенные Ю.Г.Леоновым с коллегами по сейсмостратиграфическим данным 7. Было зафиксировано 23 достаточно длительных этапа подъема уровня продолжительностью от 20 до 600 тыс. лет, с амплитудой от 10 до 580 м. Суммарная величина всех подъемов уровня

Каспия за 5 млн лет равна 1.8 км, т.е. достаточно близка к слою подземных вод, выделившихся из среднеплиоцен-четвертичных отложений только Южной впадины за тот же период. Но необходимо иметь в виду несовпадение акваторий бассейна Каспия в прошлом и настоящем. Кроме того, источником свободных и связанных вод осадочного чехла Каспия могут быть и потоки, часть которых захоранивается в процессе эволюции осадочного бассейна и таким

образом уже входит в водный баланс моря. И наконец, рассматриваемые колебания уровня имеют макрохарактер, а многочисленные микроколебания, длительностью от нескольких до десятков лет, зависящие не только от климатических, но и других факторов, в том числе и разгрузки подземных вод осадочного чехла, в расчетах не учитываются. Если допустить существование общепринятого седиментогенного режима в Каспийском бассейне, то средние темпы выделения подземных вод из верхнего этажа осадочной толщи

Южного Каспия за последние 5 млн лет должны составить 0.11015 ггод. Однако как недавно показал В.И.Дюнин, в современных осадочных бассейнах вертикальные массопотоки подземных вод преобладают над горизонтальными, что мы, по-видимому, и наблюдаем в пределах Каспия. Высокой скоростью осадконакопления в Южной котловине Каспия объясняется разуплотнение глинистых пород уже на сравнительно небольших 2 км глубинах и формирование

аномально высоких пластовых давлений, создающих своеобразный гидродинамический режим осадочной толщи. В осадочном чехле Каспия в отличие от других подобных районов зона разуплотнения пород существует и на больших глубинах. Она установлена в Южной котловине на глубинах 7-13 км 8. Средняя ее мощность 4 км, а при 10 пористости эта область должна содержать 0.61020 г воды, что близко к массе воды в современном Каспии. По-видимому, это и есть тот резерв, который при благоприятных условиях

может разгружаться в акваторию Каспия. Масса же этих вод на четыре порядка больше массы воды, определяющей ежегодный подъем начиная с 1978 г. моря 1.11016 ггод. Какие же выводы можно сделать из приведенных наблюдений и расчетов Подземные воды, выделяющиеся из осадочного чехла Южного Каспия, вносят определенный вклад в подъем его уровня.

Но скорее всего они только одна из многих составляющих. Полностью объяснить подъем уровня в течение длительного времени они все же не могут. Подводя итог всему вышесказанному, отметим, что масса подземных вод в земной коре достаточно велика, и они с разной скоростью участвуют в постоянном круговороте. Обычно в научной и особенно научно-популярной литературе рассматривают круговорот подземных вод зоны

активного водообмена гидрогеологический в нашей классификации, с которым связаны как проблемы водоснабжения, так и развитие большинства экзогенных геологических процессов. Но оказывается, что не меньшее значение имеют и массопотоки подземных вод более глубоких горизонтов. При определенных тектонических процессах они могут приводить к поступлению значительных масс воды в моря, регулируя в случае замкнутости последних их уровень, как это возможно происходит на

Каспии. Литература 1. Ронов А.Б. Осадочные оболочки Земли. М 1988. 2. Ронов А.Б Ярошевский А.А. Геохимия. 1976. 12. С.1763-1795. 3. Зверев В.П. Массопотоки подземной гидросферы. М 1999. 4. Зверев В.П Варванина О.Ю Костикова И.А. Геоэкология. 1998. 5. С.93-99. 5. Зверев В.П Костикова

И.А. Геоэкология. 1999. 3. С.260-267. 6. Зверев В.П. Гидрогеохимия осадочного процесса. М 1993. 7. Леонов Ю.Г Антипов М.П Волож Ю.А. и др. Глобальные изменения природной среды. Новосибирск, 1998. С.39-57. 8. Гулиев И.С Павлинова Н.И Роджанов М.М. Литология и полезные ископаемые. 1998. 5.

С.130-176.