г. Санкт-Петербург,
Ленинский пр.,
114 лит. А, оф. 170 Н
Наблюдения за способами проникновения поверхностной воды в недра Земли показали, что последняя часто не просачивается (не инфильтруется) по капиллярным ходам, канальцам, трещинам, а втекает через более крупные полости, щели, трещины, каналы. Это втекание или вливание воды в крупные ходы получило название инфлюации. Строгое различение этих двух способов проникновения поверхностной воды в горные породы имеет большое теоретическое значение. При инфильтрации, имеющей ламинарный (струйчатый, пленочный) характер, движение подземной воды подчиняется закономерности Дарси — скорость движения нарастает пропорционально увеличению уклона зеркала подземного потока:
υ=Кдi
где i — уклон зеркала воды, КА — коэффициент фильтрации, а при флюации (течении вихревом, турбулентном) скорость движения подземного потока, как и поверхностного потока, подчиняется закономерности Шези — нарастание скорости пропорционально корню квадратному из уклона:
υ=Кш√i
Скорость движения просачивающейся воды мала и измеряется сантиметрами и метрами в сутки, а скорость текущей в трещинах или других крупных пустотах воды измеряется сотнями и тысячами метров в час. И как объект эксплуатации, и как геологический фактор воды той и другой категории расцениваются по-разному. Инфильтрационные воды имеют место в зернистых (песчаных) рыхлообломочных породах, а инфлюационные — в трещиноватых, закарствованных и крупнообломочных породах.
В связи с большой сложностью разрешения вопроса о происхождении подземной воды возникают затруднения и при установлении ее баланса. Как статьи прихода (питания), так и статьи расхода (испарение, гидратация, ассимиляция и пр.) в настоящее время с трудом поддаются количественному учету. Не поддается количественному учету и определение общего запаса жидкой воды в недрах земной коры. Пока существуют лишь умозрительные заключения, поэтому мы не будем в данной книге останавливаться на вопросе о балансе подземных вод вообще, так и на тех элементах этого вопроса, которые (как, например, представления о подземном стоке) еще слишком мало изучены.
Подземные воды, происходящие за счет инфильтрации, инфлюации и конденсации вод атмосферы и гидросферы и таким образом представляющие в общем круговороте в природе этап подземного стока, получили название вадозных вод (вадозный — странствующий).
Ювенильная теория происхождения подземных вод. Как уже упоминалось, еще Агрикола отмечал возможность происхождения подземных вод не только за счет инфильтрации вод с поверхности земли, но и за счет парообразной влаги, поднимающейся из недр земли. Однако мы не находим у него указания на то, каково происхождение этой подземной влаги. В 1902 г. Э. Зюсс выступил с ювенильной теорией происхождения воды. Под именем ювенильной (девственной) воды он подразумевал магмогенную воду, до своего появления на поверхности земли не участвовавшую в общем круговороте воды в противоположность воде вадозной, находящейся в постоянном круговороте между гидросферой, атмосферой и литосферой. Основываясь на работах целого ряда ученых, он утверждал, что та магма, та расплавленная вязкая масса силикатных растворов, которая дает начало и глубинным породам, затвердевающим глубоко под поверхностью земли, и эффузивным породам, выбрасываемым на поверхность земли по трещинам и из жерл вулканов, в изобилии пропитана различными газообразными продуктами, в том числе водородом и кислородом. Эти газообразные продукты, в большом количестве пропитывающие магму в первоначальном месте ее залегания, находившиеся в ней в растворенном состояния при той высокой температуре и том большом давлении, какие царят на больших глубинах земных недр, начинают постепенно выделяться из расплава и передвигаться в более холодные слои земной коры. В сводной работе «Минеральные воды» (1920) А. П. Герасимов обобщил сведения о процессах выделения паров и газов из магмы и об участии их в образовании подземных вод.
Газообразные вещества, выделившиеся из магмы, стремятся подняться все выше и выше. Они пользуются при этом и трещинами отдельностей в породах, и глубокими структурными плоскостями разломов, и другими местами наименьшего сопротивления, которые могут их вывести ближе к поверхности земли. При таком движении вверх пары и газы попадают постепенно в области со все более и более низкой температурой, которая, наконец, понижается до такой величины, что господствовавшие внизу процессы диссоциации сменяются процессами соединения отдельных элементов и простых тел в более сложные вещества, наступает время химических реакций, обменных разложений и пр., когда небольшое, быть может, количество газообразных веществ дает начало длинному списку вновь возникших соединений. Некоторые парообразные вещества при пониженной температуре утрачивают способность летучести и осаждаются в виде возгонов на стенках сухих трещин и других каналов на пути их движения. При наличии достаточного количества вновь образовавшихся растворителей они двигаются далее в состоянии солевых растворов. По многочисленным, нередко, вероятно, весьма сложным, путям в земной коре парообразные вещества выходят на дневную поверхность и здесь впервые замечаются человеком. Вот оттого Э. Зюсс и называет такие продукты ювенильными, т. е. девственными: они при выходе на поверхность действительно впервые попадают в условия земного существования.
Большинство ученых в настоящее время вполне согласно с возможностью и вероятностью именно такого происхождения многих газообразных веществ и некоторых солей металлов, в особенности тяжелых и щелочных. Однако нет единодушия в вопросе о происхождении той воды, которая, растворяя все эти соли и газы, является, так сказать, основным субстратом каждого минерального источника.
Француз Готье, основываясь на своих опытах, предполагает, что магма содержит пары воды или элементы, необходимые для ее образования при подходящих условиях. Каждая горная порода магматического происхождения при нагревании в безвоздушном пространстве до температуры красного каления вместе с некоторыми газами выделяет и воду. Швейцарец Брэн, изучивший много действующих вулканов, отрицал присутствие ювенильной воды среди продуктов вулканических извержений и считал магму безводной. Однако позднее в газообразных продуктах вулкана Килауэа на Сандвичевых островах было установлено присутствие воды, которую считают ювенильной, а некоторые геохимики полагают, что без участия паров воды образование многих минералов невозможно.
Трудно примирить эти противоречия, но кажется на основании всей суммы известных фактов правильно считать возможным существование паров воды в магме, откуда уже как логическое следствие вытекает необходимость существования ювенильной воды на поверхности земли. Таким образом в некоторой точке земной поверхности мы можем встретить ювенильную воду с растворенными в ней ювенильными солями и ювенильными газами, т. е. ювенильный минеральный источник, по терминологии Зюсса, в его наиболее чистом виде.
Тектонические движения обусловливают смещения масс земной коры как вглубь, так и вверх; часть пород может опуститься ниже, нагреваться все выше или под влиянием увеличившегося давления вышележащих толщ лавы начнут подниматься по трещинам в гранит, повысят его температуру и, следовательно, вызовут потерю им всей или части комбинационной воды в виде водяного пара. Процесс этот, идя от центра к периферии, достигает, наконец, таких областей коры, куда проникают уже поверхностные воды, которые, в конце концов, попадут в область, близкую к магматическому очагу.
Подавляющее большинство минеральных источников, отличающихся обильным выделением газов, постоянством химического состава и дебита и оригинальным составом солей, относится к числу смешанных, в которых газы — ювенильные, а вода и соли имеют двоякое происхождение. Нередко в таких случаях преобладают элементы ювенильного происхождения, в силу чего различные внешние обстоятельства не оказывают особенно заметного влияния на режим источника.Классификационным признаком служит химический состав солей, содержащихся в воде, находящийся в резком противоречии с горными породами, известными в окрестностях источника и участвующими в строении верхних слоев земной коры.
Индикаторами могут быть значительное содержание щелочей, главным образом, натрия, затем присутствие тяжелых металлов — меди, свинца, цинка и пр., нахождение таких элементов, как мышьяк, фтор, бор и т. д. Содержание только что перечисленных элементов весьма трудно, почти невозможно, объяснить минерализацией воды в приповерхностных слоях, если не придумывать каких-либо особенных случайностей, обыкновенно не вяжущихся ни с наличной геологической обстановкой, ни с геологической вероятностью.
Практически ювенильные воды встречаются в чистом виде очень редко. Чаще всего, вероятно, они представляют примесь в вадозных водах. Однако сомнений в их существовании не может быть. Тщательные исследования А. Д. Дэя и Е. Д. Шеперда вулканических газов в условиях, исключающих примесь воды атмосферного происхождения, доказали наличие в них паров магмогенной воды. В силу этого в учение о происхождении ряда нерудных и рудных месторождений при участии гидротермальных растворов солей и газов вошли представления о магмогенном (ювенильном) происхождении последних, хотя количественная сторона вопроса еще не выяснена и требует дальнейших внимательных исследований.
Ювенильное происхождение приписывали гейзерам, однако теперь ясно, что в этом случае мы имеем дело с магмогенным теплом и вадозной водой, может быть содержащей ничтожные примеси магмогенной воды.
В последние годы возможность магмогенного (ювенильного) происхождения подземных вод все же подвергается сомнению. Мотивом для подобного отрицания служит то обстоятельство, что мы не можем с точностью установить их количественное участие в общем балансе подземных вод земной коры. Поскольку доказано присутствие в составе вулканических газовых извержений паров воды, тем самым отрицание магмогенных (ювенильных) вод само собой отпадает. Нельзя признать порочащими идею о магмогенных водах неуместные попытки некоторых гидрогеологов применять эту идею к объяснению происхождения всех минеральных вод с повышенной температурой и сложным химическим составом. Только внимательный анализ всей природной обстановки может привести к правильному решению вопроса о наличии или отсутствии в данном случае магмогенных (ювенильных) вод. Они совершенно справедливо противопоставляются водам вадозным, являющимися ветвью подземного стока в общем круговороте воды в природе и образующимися путем инфильтрации поверхностных вод или конденсации и сорбции паров воды в толще земной коры.
Вместе с тем надо иметь в виду, что происхождение находящихся в подземной воде солей и газов представляет собой большой и сложный вопрос, над разрешением которого работают многие исследователи. Проникновение в недра солей и газов, захваченных водой из воздуха или почвы, выщелачивание солей из горных пород, обмен катионами между водой (раствором) и породой, выпадение солей из растворов по мере их концентрации или вследствие изменения термодинамической обстановки и т. д.— все это до крайности изменяет солевой облик подземных вод и усложняет процессы их минерализации, ее эволюцию во времени и пространстве. Таким образом, в настоящее время вполне научно обоснованы и общепризнаны следующие теории происхождения подземных вод: