title-icon
Яндекс.Метрика
» » Границы природных вод в подземной гидросфере

Границы природных вод в подземной гидросфере

В этом разделе речь пойдет о границах, которые довольно широко обсуждаются в геологии. Поэтому основное внимание мы уделим не столько их описанию, сколько выявлению черт, позволяющих рассматривать возможные аналогии с границами в атмосфере и на поверхности Земли. Кроме того, поскольку этой части гидросферы присущ иной масштаб времени, в описании границ мы будем ориентироваться на два аспекта: на современное их состояние и на особенности их исторического развития.
Опираясь на последние достижения геологии в изучении тектоносферы и мантии, можно выделить три наиболее крупные квазизамкнутые группировки вод ниже поверхности Земли — воды литосферы, астеносферы и подастеносферной мантии. Эти группы определены по структурным и петрологическим особенностям вмещающих сред на основании двух причин: 1) границы астеносферы установлены экспериментально и хорошо прослеживаются методами геофизики; 2) аналогичный принцип разделения природных вод был принят для подземной части гидросферы, а также является основным в региональной гидрогеологии, изучающей гидрогеологические структуры, водоносные комплексы и горизонты.
Разумеется, названные три группы — это составляющие первого порядка. Каждая из них может быть разделена на более мелкие элементы второго, третьего и других порядков. Например, в литосфере такое членение допустимо сделать по поверхностям Конрада и Мохо, в гранитном слое — по кровле фундамента, в осадочном чехле — по литологическим особенностям разреза.
Начнем с самых общих положений, определив исходные понятия водовмещающих сред первого порядка. До недавнего времени нижнюю границу литосферы совмещали с поверхностью Мохо. Однако попытки (теоретические и экспериментальные) установить физический смысл этой поверхности постепенно привели к выводу, что для тектоники и гравитационного поля она вряд ли имеет сколько-нибудь решающее значение. Возможно, поэтому академик В.В. Белоусов ввел понятие тектоносферы, а в теории плит появилось новое определение литосферы как подвижного поверхностного прочного слоя. Здесь на первое место выдвигаются механические характеристики и нижней границей должна быть изотерма, соответствующая солидусу. Особенности же химического состава являются внутренним свойством плиты и служат для разделения ее на кору (до Мохо) и субстрат (мантия до глубины солидуса). Разумеется, что положение солидуса, определяемое различными методами (по тепловому полю, сейсмическим измерениям и исследованию упругих деформаций плит), оценивается неоднозначно и приблизительно. Ho эта приблизительность и неоднозначность относятся к количественной оценке сферической координаты границы, физический же ее смысл является вполне строгим. Границы тектоносферы определяются весьма ориентировочно: она трактуется как оболочка с существенными горизонтальными неоднородностями. Нетрудно видеть, что литосфера является частью тектоносферы, хотя из их определений такого вывода не следует. Это происходит, видимо, потому, что первое появилось из неомобилистских представлений о развитии земной коры, а второе является продуктом фиксистских схем. Ho у этих понятий есть и общее: они основываются на одной теоретической предпосылке, что эндогенный режим нижних слоев определяет функционирование верхних.
Последнее обстоятельство дает право пользоваться одновременно обоими понятиями. Некоторая расплывчатость понятия тектоносферы дает свободу для определения нижней границы гидросферы, четкость и строгость понятия литосферы позволяет конкретизировать пространственное положение самой верхней мегагруппы подземных вод.
Поскольку литосфера, мощность которой оценивается до 100— 200 км, представляет собой сферическую плиту, воды (в физических формах, соответствующих определенным давлению и температуре) находятся в ней главным образом в трещинах и порах и лишь частично (как локальные скопления) являются одной из фаз магматических расплавов. У верхней границы литосферы преобладают воды метеогенного и седиментогенного происхождения, у нижней — мантийного (в обоих случаях продукты прямого внедрения). Между этими областями основная часть вод образуется, вероятно, на месте при литификации пород, и в этом проявляется структуризация верхней части подземной гидросферы в самостоятельную квазизамкнутую мегагруппу. В опускающихся блоках происходит освобождение физически связанных вод и дегидратация минералов — возникает своеобразный как бы поток снизу вверх; в поднимающихся блоках в силу их разуплотнения и уменьшения внутрипорового давления, а также благодаря гидратации минералов возникают как бы потоки сверху вниз. Таким образом, происходит процесс, который напоминает перемешивание.
Вторая мегагруппа подземных вод находится в пределах астеносферы, т. е. на глубинах от 100—200 до 750—800 км (в рифтовых зонах срединно-океанических хребтов — от 2—3 км). Термин «астеносфера» в переводе означает слой без прочности, а в тектонике плит определяется как слой, не выдерживающий касательных напряжений. Считается, что астеносфера приблизительно совпадает с зоной пониженных скоростей.
Измеренные геофизическими методами свойства астеносферы объясняют состоянием частичного плавления мантийного вещества. Теоретическое и экспериментальное изучение этого вопроса показало, что длительная квазиустойчивость начальной стадии плавления может быть обусловлена только присутствием воды.
Форма существования астеносферной мегагруппы подземных вод принципиально отличается от мегагруппы литосферы. В литосфере вертикальное движение блоков плиты и продуцируемого им движения потоков воды не совпадают по направлению: среда движется в одну сторону, а содержащиеся в ней воды — в другую. В астеносфере же вязкопластичная конвекция является общей для воды и для вмещающей среды, поскольку вода растворена в расплавленной части вмещающей среды.
Третью, подастеносферную мегагруппу подземных вод связывают с так называемой переходной зоной, нижнюю границу которой обычно проводят по глубине 750—800 км. Эта зона считается химически однородной, и некоторая дифференциация ее по плотности и скоростям объясняется структурными перестройками минералов при возрастании давления. Одна из динамических моделей плитной тектоники утверждает возможность крупномасштабных конвективных движений в этой зоне. Вопрос еще далеко не решен, но уже ясно, что ответ на него может быть положительным только при условии, если будет доказано присутствие здесь достаточного количества воды. Когда мы говорим о достаточном количестве, то имеем в виду результаты исследований границ перехода горных пород от хрупкого состояния к пластичному. Они показали, что пластические свойства пород увеличиваются по мере роста гидростатического давления и порог этого перехода тем ниже, чем меньше скорости деформаций.
Как выглядит структуризация мегагруппы подземных вод, находящейся в подастеносферной мантии сказать трудно. Можно только предполагать, что если переходная зона химически однородна и вязкопластична, то воды более или менее равномерно распределены в ней. Это значит, что структуризация мегагруппы повторяет структуру всей переходной зоны, разделенной глубинными разломами (до 700—800 км) на крупные блоки, в пределах каждого из которых гипотетически предполагается крупномасштабная конвекция. Возможно, что эти блоки и являются громадными конвективными ячейками верхней мантии.
Выделенные мегагруппы охватывают воды, характеризующиеся различными физическими свойствами. Гидрофизические границы, если ориентироваться на теоретические расчеты, в определенных зонах имеют резкое угловое несогласие с границами мегагрупп, что чрезвычайно важно для их функционирования и существования гидросферы (рис. 2.12). На рисунке стрелками показано направление гипотетической диссипации (рассеивания) воды в самых верхних оболочках Земли. Эти линии тока проводились исходя из следующих условий: 1) границы между геофизическими зонами (геоизотермами) являются эквипотенциалами; 2) диссипация ориентирована снизу вверх.

Эти линии образуют два типа областей: конвергенции и дивергенции. Первый тип приурочен к древним щитам и платформам, а второй — к системам островных дуг и срединно-океанических хребтов. Важным обстоятельством является одинаковая направленность конвергентного и дивергентного потоков — снизу вверх. Однако геологическая роль этих областей различна: в области конвергенции (conv) происходит активная гранитизация коры, в поясе островных дуг образуется кора преимущественно андезитового состава, для срединно-океанических хребтов характерен базальтовый вулканизм. Ради удобства дальнейших рассуждений область дивергенции под срединно-океаническими хребтами (потому что она выражена наиболее резко) назовем областью эвдивергенции и обозначим div1, а под островными дугами — областью миодивергенции с индексом div2. Миодивергенция будет занимать как бы промежуточное положение между явно конвергентными, континентальными, и явно дивергентными, океаническими, «струями». Слово «струи» мы взяли в кавычки, чтобы напомнить, что физический смысл линий, названных нами линиями диссипации, пока неясен.
Возникает чрезвычайно любопытная ситуация. Отчетливо проявляются две структуризации подземной части гидросферы: одна физическая — по формам существования и массопереноса воды, другая — по пространственным и временным формам вмещающей среды. И эти различные структуризации нельзя представить раздельно, независимо друг от друга — это коллективная структуризация. Гидрофизическая (внутренняя) составляющая работает на гомогенность системы, а внешняя (структура среды) — на ее гетерогенность.
Геологическая среда (в пределах мегагрупп, групп различных порядков, подгрупп и т. д.) делит гидросферу на части, стремясь создать внутреннюю их изоляцию и сохранить для собственного использования, например как термодинамический буфер в астеносфере, механизм выноса тепла и перераспределения материала в литосфере и т. п.
Ho у воды есть, если так можно выразиться, собственная задача, в нее вложен определенный планетарный и космический код — она должна диссипировать к поверхности Земли и искать пути покинуть среду, в которой она в данный момент находится. Реализация этого кода происходит в соответствии с законом изменения термодинамической энтропии. И здесь возникает свой внутренний порядок — гидрофизическая зональность. Там, где границы этого порядка более или менее параллельны структурным границам среды, происходит нормальная спокойная диссипация, среда не испытывает дефицита или избытка воды, существующий баланс вполне обеспечивает темп ее внутреннего использования, и две различные структуризации сосуществуют.
В областях конвергенции возникают резкие отклонения от нормы, появляются как бы потоки (назовем их псевдодиссипативными струями), которые создают избыток воды, приводящий к смещению фазовых составляющих вмещающих сред сверху вниз (например, к смещению фациальных границ метаморфизма), т. е. к структурной перестройке сред. Этот процесс опять же является иллюстрацией гетерогенных тенденций среды, ее стремления удержать воду, в данном случае — сделать возникающий избыток влаги нормой. А всякая перестройка — это нарушение стационарности, это ломка существовавшего ранее порядка. Таким образом, в областях конвергенции возникает структурный конфликт, приводящий в целом к аномальному ослаблению структуры среды, геологическим следствием которого являются эндогенные режимы, названные В.В. Белоусовым режимами магматической активизации платформ платобазальтовый и режим центральных интрузий и трубок взрыва.
Как же развивается коллективная структуризация в области эвдивергенции (divi)? В отличие от конвергентных областей здесь в верхних зонах возникает дефицит влаги, и, возможно, поэтому не происходит гранитизация коры, а также поддерживаются аномально высокие температуры. В силу гетерогенных требований реакция среды на дефицит влаги может быть двоякой она либо приспособится к нему, сделав ее нормой, либо ликвидирует его за счет иного источника. Первый путь сложнее, он требует серьезных структурных изменений самой среды и, видимо, в какой-то мере реализуется через образование рифтов. Вторая форма реакции среды на дефицит глубинных вод может быть частично реализована через серпентинизацию перидотитов. Такая гидратация литосферы теоретически допустима за счет поступления в начальные трещины разломов океанических вод. Серпентинизация увеличивает общую пластичность среды и работает против рифта, в значительной мере снимая раскалывающее плиту напряжение, создаваемое конвекцией в мантии.
Таким образом, в области конвергенции и эвдивергенции разрушение коллективной структуризации приводит к ломке границ гидросферных мегагрупп, образованию в этих границах, если так можно выразиться, дыр и разрывов. Ho эти дыры различны, как и сами области, во-первых, морфологически, во-вторых, генетически, в-третьих, по особенностям функционирования.
В областях конвергенции литосферные плиты работают на изгиб, дыры и разломы имеют региональную масштабность и являются одной из реакций среды выпустить излишки как бы нагнетаемой воды, которую она не успевает осваивать. Поэтому дыры здесь функционируют как клапаны, открывающиеся преимущественно снизу вверх. В области эвдивергенции литосферные плиты работают в основном на растяжение, дыры и разломы имеют планетарную масштабность и возникают под действием мантийной конвекции в результате потери плитой пластичности. Дефицит глубинных вод среда стремится восполнить за счет метеогенных, поэтому дыры здесь функционируют как клапаны, открывающиеся сверху вниз.
Области миодивергенции занимают промежуточное положение. Здесь, как и в областях эвдивергенции, возникает дефицит глубинной влаги, среда также частично теряет способность к пластическим деформациям, но испытывает не растяжение, а сжатие, так как находится над сходящимися конвективными ячейками мантии. Стремление среды компенсировать дефицит воды, восстановить диссипативную норму, компенсируется за счет внутренних источников — десерпентинизации перидотитов и общей метаморфической дегидратации погружающихся блоков сдавливаемых плит. Поскольку внутренний источник воды постоянно пополняется, то возможно периодическое появление излишков воды в среде (выше диссипативной нормы) и, как следствие, возникновение изложенной конвергентной ситуации. Поэтому возникающие в границах мегагрупп дырки здесь более универсальны, они открываются и вверх и вниз.
Вот, пожалуй, самая общая картина строения подземной части гидросферы. Наиболее яркой ее чертой является взаимоотношение структуры среды и структуры находящихся в ней водных объектов (гидрофизических зон), названное нами коллективной структуризацией. Коллективные свойства проявляются через постоянство и прочность обратной связи. Поэтому найти в этой форме структуризации начало и конец, наверное, невозможно: структуризация среды и объекта появляется одновременно и одновременно исчезает. Критерием коллективных свойств является диссипативная норма (по крайней мере, с помощью этого понятия удается обнаружить какой-то общий порядок глобальных геологических событий).

title-icon Подобные новости