title-icon Статьи о ремонте
title-icon
» » Геологический круговорот воды на Земле

Геологический круговорот воды на Земле

Геологический круговорот воды можно представить в виде двух схем. Одна из них отражает направленность процессов перемещения воды при литификации осадочных пород и дальнейшем их тектоно-магматическом преобразовании.

Другая схема связана с движением литосферных плит на океаническом дне, явлениями спрединга и субдукции, поглощением океанических вод в рифтовых зонах, перемещением и преобразованием этих вод в океанической и континентальной корах.

Назовем круговорот воды, происходящий по первой из представленных схем, литогеническим, а по второй — собственно геологическим. Рассмотрим эти схемы подробнее.
Литогенический цикл. Начинается этот цикл с трансгрессии моря, осадконакопления, погружения осадочных толщ, сопровождающегося отжатием седиментогенных вод из водоупоров (глинистых, соленосных, карбонатных пород) в коллекторы (пески, песчаники, трещиноватые породы и др.). Эти процессы, протекающие при литификации пород, называются элизионными (от греческого «элизио» — выжимаю).
Наряду с элизионными процессами происходит образование возрожденных вод при дегидратации монтмориллонитовых глин (превращение их в гидрослюдные); гипсов и других отложений. Возрожденные воды, так же как элизионные, поступают в коллекторы.
Далее можно выделить две ветви литогенического цикла: нисходяще-восходящая, обусловленная погружением водосодержащих пород в зоны метаморфизма и магматизма, и восходящая, связанная с подъемом и делитификацией пород.
Рассмотрим первую ветвь. С глубиной и значительным повышением температуры и давления в недрах процессы диагенеза и катагенеза сменяются процессами метаморфизации, сопровождающимися перекристаллизацией пород, выделением в свободную фазу кристаллизационных и конституционных вод. Как показывал С.Л. Шварцев, наряду с дегидратацией пород происходит синтез воды при соединении гидроксильной группы и ионов водорода, образующихся при перекристаллизации пород. Доля метаморфогенной воды по массе, которая выделяется при глубинных геохимических процессах, может достигать 15—25 %. Каждая из стадий метаморфизации пород — цеолитовая, зеленосланцевая, эпидот-альбитовая, амфиболитовая и гранулитовая сопровождается соответствующей потерей воды. На заключительных стадиях оставшееся ее количество в породах не превышает долей процента.
В условиях складкообразования проявляется этап магматизма. При этом магма может как поступать в зону метаморфизма из подкоровых глубин, так и формироваться непосредственно в этой зоне при расплавлении осадочных и метаморфических пород. На этом этапе образуются магматогенные воды, которые частично пополняются водами из перекристаллизующихся метаморфических пород.
Заключительный этап первой ветви литогенического цикла связан с внедрением магматических очагов в верхние горизонты литосферы и проявлением вулканизма. На этом этапе происходит подъем к поверхности и магматогенных растворов. Следует отметить, что восходящее движение вод наблюдается на всех рассмотренных выше этапах, но на последнем из них происходит наиболее интенсивное смешение с инфильтрационными водами, просачивающимися вниз с поверхности Земли. Необходимо обратить внимание также и на то, что попадание пород в различные термодинамические условия сопровождается переходом вод из одного состояния в другое, постепенным их вытеснением с глубины в верхние оболочки Земли. Таким образом осуществляется взаимосвязь гидрофизических зон Земли, содержащих воду с различным структурным состоянием.
Теперь рассмотрим восходящую ветвь литогенического цикла. Трансгрессия моря сменяется его регрессией и поднятием территории. На этом этапе происходит делитификация и денудация пород, начинается интенсивное внедрение инфильтрационных вод в водоносные горизонты. Эти воды постепенно заменяют воды седиментогенные. Однако такая замена обычно является неполной. Среди инфильтрогенных вод спорадически сохраняются остатки древних седиментогенных вод, сами же инфильтрационные воды не просто вытесняют седиментогенные, но смешиваются с ними, образуют языки проникновения. При этом на инфильтрационном этапе водообмена может наблюдаться процесс всасывания вод из пород-коллекторов в водоупорные толщи, чаще всего в глины. В этот процесс втягиваются не только седиментогенные воды, но и поступающие инфильтрационные. Очевидно, что после неоднократной смены трансгрессий и регрессий моря гидрогеологическая обстановка в системе вода — порода становится чрезвычайно сложной.
Наиболее важная особенность рассматриваемого цикла заключается в том, что поступление океанических вод на континент происходит одновременно с поступлением самих пород по схеме: океан -> морские осадки (горные породы). В основном указанный процесс происходит на шельфе (90 % осадочных пород, известных нам по геологическим разрезам, образовалось в прибрежной зоне). В этом отношении литогенический цикл является элементом развития континентальной коры, и его связь с климатическим круговоротом представляется естественной. На инфильтрациоином этапе метеогенные воды проникают в породы, содержащие первичные океанические воды, смешиваются с ними и вовлекают их в климатический круговорот. Таким образом, благодаря инфиль-трационному этапу литогенический круговорот воды в определенных условиях взаимодействует с климатическим водообменом.
Собственно геологический цикл. Этот цикл связывают со схемой движения океанического дна и системой конвективных потоков в верхней мантии, разработанной в теории плит. В соответствии с теорией океаническая кора и подстилающая ее мантия в пределах отдельных блоков каждой конвективной ячейки перемещаются с одинаковой скоростью как единое целое от срединных хребтов и возвышенностей к обрамляющим океаны континентам. Различие в скоростях перемещения отдельных блоков приводит к образованию крупных разломов между ними. На нисходящей ветви движения блоки погружаются под континенты, при этом происходит сильная деформация коры. В более глубоких областях мантии (по X. Хессу, до 750 км) существует конвективный поток вещества противоположного направления (к срединным хребтам и возвышенностям).
Модель теории плит наиболее интересна для гидрогеологии потому, что в предполагаемом ею круговороте вещества коры и мантии можно ожидать участие морской воды. Материал мантии, поднимаясь к поверхности в зоне срединных хребтов и возвышенностей, взаимодействует с морской водой (основная реакция происходит при t = 300/400 °C), образуя серпентинизированный перидотит. Новая океаническая кора формируется на протяжении всего пути ее перемещения к континентам. На нисходящей ветви движения происходит десерпентинизация и вода возвращается в океан.
Таким образом, если следовать этой схеме, то собственно геологический круговорот совершается по некоторой пологой дуге от центральных районов океанов к их периферии; при этом морская вода переносится как бы в «законсервированном» виде. Анализ этого процесса позволил оценить темп водообмена (около 0,2 км3/год), что существенно меньше всех циклов климатического круговорота воды.
Водообмен, связанный с серпентинизацией, не является единственной составляющей собственно геологического цикла. Литосфера океанического типа содержит 1,8*10в23 см3 воды, которая в соответствии с моделью плитной тектоники перемещается вместе с корой в сторону континентов и погружается под них на участках глубоководных желобов. Вероятно, одна часть этой воды принимает участие в формировании гранитной коры континентов и возвращается в океан с помощью климатического круговорота лишь при выходе этой коры на поверхность материков и через вулканический аппарат. Другая часть может вовлекаться в обратные подкорковые течения и возвращается в океан в зонах срединных хребтов и возвышенностей и через подводные извержения магм. Принимая время этого водообмена, равное возрасту современных океанов, можно ориентировочно оценить темп этого водообмена — около 1 км3/год.
С точки зрения общего водного баланса земного шара собственно геологический цикл, видимо, не имеет большого значения, но его геохимическую роль не следует недооценивать. Рассмотрение процесса серпентинизации перидотита показало, что геохимическим его следствием может являться поступление в океан значительных количеств железа, магния, кобальта, никеля, марганца и некоторых других элементов.
Таким образом, исходя из сказанного общими чертами двух циклов геологического круговорота воды являются: их начало по схеме океан -> морские осадки (горные породы), длительность в миллионы и сотни миллионов лет, сложное взаимодействие вод и пород в условиях значительных глубин. Так же как и циклы климатического круговорота, литогенический и собственно геологический циклы отличаются лишь завершающей стадией, на которой можно выделить два разнонаправленных этапа.
Если на круговороты воды посмотреть с позиций их участия в формировании структуры гидросферы, то можно ожидать, что именно они определяют ту внутреннюю структуризацию, которая, с одной стороны, обособляет существование каждой подсистемы гидросферы, а с другой — реализует возможности взаимодействия между ними. Круговорот — это тот процесс, который в конечном счете определяет устойчивость гидросферы как одной из оболочек Земли. Устойчивость обусловлена цикличностью круговоротов, их постоянным повторением. Разумеется, повторения носят причинновероятностный характер, но их систематическая составляющая может рассматриваться как гармоника. Все это позволяет сформулировать первый вывод, раскрывающий одну из сторон генетической сущности коллективной структуризации гидросферы: выделенные круговороты воды образуют структуру внутрисистемных связей, благодаря которым гидросфера существует как единое геологическое целое.
Следовательно, приведенная систематизация круговоротов есть He что иное, как структура внутригидросферных связей, позволяющая увидеть, что во внешне очень разных формах круговорота скрыт единый генетический смысл.
Идея единства движения и химического состава природных вод, по существу, конкретизирует идею единства гидросферы и приближает нас к пониманию перераспределения и относительного сохранения массы гидросферы как квазизамкнутой системы. По сути дела, речь идет о том, что реальная незамкнутость гидросферы значительно меньше степени гидродинамической мобильности всех ее циклов, каждый из которых можно рассматривать как практически замкнутую систему. Таким образом, раскрывается вторая сторона генетической сущности круговоротов: круговороты — это форма существования структурных элементов гидросферы, благодаря которым ее целостность является гетерогенной.
Совокупность первой и второй истин предопределяет функционирование и развитие гидросферы как геологической системы. При этом геологический дуализм круговоротов воды и переносимого ею вещества нашей планеты заключается в том, что круговороты, выступая как форма внутрисистемной связи, стремятся уничтожить границы между элементами гидросферы, т. е. их действие направлено на создание гомогенной водной оболочки Земли, одновременно они выступают как механизм структуризации гидросферы, стремясь организовать ее гетерогенность. Следовательно, круговороты, с одной стороны, формируют внутрисистемные границы, что, вообще говоря, обеспечивает существование гидросферы, а с другой — эти границы разрушают, что ведет к уничтожению гидросферы.
Эволюция представляет собой процесс, направленный от простого к сложному. И в этом отношении Земля не является исключением, ее развитие обусловлено структурно-организационными изменениями, приводящими к дифференциации вещества, из которого она образована. Однако организационные процессы неразрывно связаны с противоположно направленными структурно-энтропическими, которые разрушают сложные системы, стремясь сделать их бесструктурными и однородными. Эти разрушения создают материальную основу для создания новых более сложных структурно-организационных форм и выступают как важный механизм эволюции земной коры. В этом проявляется сущность известного тезиса о единстве и борьбе противоположностей, как о необходимом условии развития.

title-icon Подобные новости