Инфильтрация и инфлюация воды в грунт

21 марта

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=Кшi

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.

Опыты Готье

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: 

  1. конденсацион­ная — образование подземных вод путем конденсации (сгущения) парообразной влаги, проникающей в недра земли из атмосферы, или путем испарения глубже лежащей в недрах земли жидкой гравитационной воды;
  2. инфильтрационная — образование подземных вод путем инфиль­трации (просачивания) атмосферных осадков и поверхно­стных вод;
  3. инфлюационная — путем инфлюации (вте­кания) жидкой воды с поверхности земли в трещины, полости, ходы; эти три категории вод объединяются под общим названием вадозные воды, так как они представ­ляют собой одно из звеньев общего круговорота воды в природе;
  4. ювенильное или магмогенное происхождение подземных вод путем конденсации из выделяемых магмой раскаленных газов элементов Н и О при их продвижении к поверхности земли.
Продукция