Доклад: 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 - 1.3·10²⁴ 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, 3.0·10²³ 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 4.3·10²³ г. Суммарное количество всех типов природных вод, содержащихся в земной коре, по нашим данным, составляет 7.3·10²³ 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 9.6·10¹⁸ г/год, и нижней - 0.6·10¹⁸ (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 4.4·10¹⁵ г/год. 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 0.4·10¹⁵ г/год.

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 0.04·10¹⁵ г/год. 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 0.4·10¹⁵ г/год. 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 ~6·10¹⁵ г/год, среднее содержание воды в магме примерно 3%; при грубом подсчете обнаруживаем, что в вулканическом процессе принимает участие ~0.2·10¹⁵ г/год 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 4·10¹⁵ г/год. Примерно 15% гидротермального массопотока (0.6·10¹⁵ г/год) приходится на долю освобождающихся связанных вод, а остальные 85% (3.4·10¹⁵ г/год) - 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 0.25·10¹⁵ г/год.

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 0.8·10²⁰ 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, г/год; 3 - переход природных вод из свободного в связанное состояние, г/год; 4 - переход природных вод из связанного в свободное состояние, г/год.

(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 11.9·10²⁰ г связанных и свободных подземных вод, из которых на последние приходится 7.4·10²⁰ г, что практически на порядок превышает массу воды Каспийского моря (0.8·10²⁰ г). Причем подавляющая часть этих вод (5.3·10²⁰ 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 40.7·10²⁰ г свободных и физически связанных вод. Из них 7.4·10²⁰ г сохранились до настоящего времени. Большая же часть (33.3·10²⁰ 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 2/3 массы подземных вод. В осадочной толще Южной мегавпадины Каспия за 185 млн лет эволюции было аккумулировано 24.9·10²⁰ г свободных и физически связанных подземных вод. В процессе развития бассейна 19.6·10²⁰ г возвращено обратно, причем 6.2·10²⁰ 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 0.1·10¹⁵ г/год. 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 ~0.6·10²⁰ 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 (1.1·10¹⁶ г/год).

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.