Круговороты подземных вод в земной коре - (реферат)

Материалы данного файла могут быть использованы без ограничений для написания собственных работ с целью последующей сдачи в учебных заведениях. Во всех остальных случаях полное или частичное воспроизведение, размножение или распространение материалов данного файла допускается только с письменного разрешения администрации проекта www. 5ballov. ru. У РосБизнесКонсалтинг

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.