title-icon Статьи о ремонте
title-icon
» » Общая характеристика процессов перераспределения вещества при климатическом и геологическом круговоротах природных вод

Общая характеристика процессов перераспределения вещества при климатическом и геологическом круговоротах природных вод

Вода определяет специфику протекающих на Земле геологических процессов. Ее роль как терморегулятора и соединения, переносящего в наземном и подземном пространстве растворенные вещества, весьма велика; она участвует в образовании новых минералов, придает геологическим процессам на нашей планете большое своеобразие. Инженеру-гидрогеологу приходится прежде всего заниматься недрами Земли, но он должен ясно понимать специфику единства всех природных вод. Природные воды находятся в химическом взаимодействии с горными породами, живым веществом, атмосферными или подземными газами, растворяют породы и газы, обогащаются продуктами жизнедеятельности растений и животных, переносят вещества на различные расстояния, являясь главным регулятором большинства природных физико-химических процессов. Природные воды едины. Круговороты воды обусловливают тесную связь химического состава атмосферных, поверхностных и подземных вод.
Общий объем природных вод распределяется следующим образом: Мировой океан 1372 млн. км3, а литосфера (по приближенной оценке) от 840 до 1050 млн. км3. Из приведенных цифр видно, что главным водным резервуаром на Земле является Мировой океан; общая масса солей в нем оценивается в 47,8*10в15 т. История его в самом упрощенном виде может быть сведена к трем главным стадиям — догеологической, переходной и современной. В первую стадию, охватывающую время от образования Земли до 3,5 млрд. лет назад, происходил вынос из недр Земли летучих веществ (H2O, Cl, F, Br, I, H2S и др.), конденсация и нейтрализация их при взаимодействии с магматическими породами. Вторая стадия (3,5—1,0 млрд. лет назад)—зарождение жизни, появление фотосинтетического кислорода, окисление серы, углерода, железа, активный снос элементов с континентов. Примерно 0,7—1,0 млрд. лет назад сложился состав океанической воды, близкий к современному.
Это — лишь самая общая схема, которая сразу усложняется, если анализировать историю формирования концентраций отдельных элементов в океанической воде. По оценкам замечательного норвежского геохимика В.М. Гольдшмидта, выполненным еще в 30-е годы, на 1 кг воды современного океана приходится около 0,6 кг первичных изверженных пород, разрушенных в процессе выветривания. Расчеты эти были выполнены Гольдшмидтом по балансу натрия. Вместе с тем им же и другими исследователями был показан дефицит в морской воде (по отношению к рассчитанному по выносу натрия объему разрушенных изверженных пород) ряда других металлов, таких как калий, кальций, марганец, железо, ртуть и др. Накопление этих элементов в океанической воде и их соотношения в разных типах природных вод и горных пород регулируются процессами сорбции, ассимиляцией живым веществом, физико-химическими реакциями.
Отсюда ясно, что балансовые расчеты, выполненные В.М. Гольдшмидтом, А.П. Виноградовым и другими исследователями, лишь качественно иллюстрируют идею связи анионного состава морской воды с процессами дегазации мантии и катионного — с выветриванием континентальных изверженных пород. Детализация же этой схемы для отдельных элементов показывает исключительную сложность геохимической истории каждого из них. Так, А.А. Сауков показал, что если бы все элементы из горных пород при их выветривании поступали бы беспрепятственно в гидросферу, состав ее был бы совсем другим (содержания цинка, свинца, ртути, мышьяка и ряда других элементов в морской воде было бы на 2—3 порядка выше) и жизнь в ее современной форме в гидросфере была бы невозможна.
Океанические течения и тепловые перемешивания привели к выравниванию химического состава воды Мирового океана. Постепенно сформировалась система важнейших планетарных констант — химический состав воды Мирового океана (табл. 6.1), так же как и химический состав воздуха, — предопределяющая протекание многих геохимических и гидрогеохимических процессов на Земле. Это и есть средний химический состав веществ, растворенных в наземной гидросфере.
В табл. 6.2 приведены средние содержания элементов в основных типах горных пород и океанической воде. Такие средние содержания часто называются кларками. Их значения для земных оболочек, разных типов пород, минералов приводятся в справочниках по геохимии.



Из таблицы видно, что Мировой океан играет огромную роль в перераспределении и накоплении некоторых элементов. На два порядка выше, чем в горных породах, концентрация хлора в океанической воде, на порядок—брома; близки к средним для пород концентрации натрия и магния. Вместе с тем многие элементы в силу низкой растворимости своих соединений в океане не накапливаются и их кларки в океанической воде на много порядков ниже, чем в породах. В первую очередь это относится к двум важнейшим элементам литосферы — кремнию и железу; содержание большинства металлов в океанической воде на несколько порядков ниже, чем в горных породах.
Рассмотрим в самом общем виде процессы перераспределения вещества, которые происходят при круговоротах природных вод. Важным звеном этих круговоротов всегда является океаническая вода.
Климатический круговорот связан с процессами испарения океанической воды, атмосферного переноса паров, конденсации, взаимодействия выпавших атмосферных осадков с горными породами, возвращения воды в океан с поверхностным й подземным стоком. В воздух попадают пары воды, почти лишенные солей, но в сконденсированной атмосферной влаге растворяются газы воздуха, частично соли из поднятых ветром и испарившихся капель океанической воды, пыль, поднятая с континентов, вулканические дымы, дымы, образующиеся в результате человеческой деятельности. Поэтому атмосферные осадки всегда содержат растворенные соли и газы и их состав характеризуется значительной пестротой, обусловленной местными причинами. Количество солей в надземной гидросфере несоизмеримо меньшее, чем в наземной, главной составляющей которой является Мировой океан. При среднем объеме атмосферной влаги 13 тыс. км3 и средней минерализации атмосферных осадков 34 мг/л общее количество солей в атмосферных водах составляет 44,2*10в7 т (на восемь порядков меньше, чем в Мировом океане), но в общем солевом балансе природных вод это — самая подвижная составляющая, поэтому ее значение в формировании химического состава речных, озерных вод и вод неглубоких водоносных горизонтов гумидных областей огромно. Приведенные ранее модули атмосферного привноса веществ в значительной степени определяют химический состав поверхностных И неглубоких подземных вод гумидных областей.
В климатический круговорот вовлекаются соли, сносимые с поверхности водосборов (склоновый сток), и соли, выносимые из горных пород зоны интенсивного водообмена, мощность которой определяется местными базисами дренирования. Солевой состав вод, участвующих в этих круговоротах, в первую очередь определяется геологическими и гидрогеологическими условиями конкретных площадей. Самая характерная составляющая этого цикла — вынос карбонатных солей, который и является главной характеристикой денудационных процессов на больших территориях и часто достигает 20—30 т с 1 км2 в год.
Геологический круговорот тесно связан как с участием океанической воды в глобальных геологических процессах, так и с вовлечением в эти процессы вод магматогенных и возрожденных. Он подразделяется на литогенический и собственно геологический циклы.
При литогеническом цикле вода океана или отшнуровавшихся от него лагун насыщает свежеобразовавшиеся илы. Затем она отжимается из них при литификации горных пород в водоносные коллекторы. Главной особенностью этих процессов является активное взаимодействие растворенных веществ седиментогенных вод с вмещающими их породами на всех стадиях литогенеза. Постепенно первичный состав океанической воды или продуктов ее упаривания настолько изменяется, что первичные признаки океанической воды — преобладание хлора над натрием, относительно высокое содержание магния и низкое кальция, характерные соотношения микрокомпонентов — почти исчезают.
Среди процессов, протекающих на первых стадиях формирования осадочных пород, одним из наиболее характерных является сульфатредукция. В отдельных впадинах морей и океанов с затрудненным доступом растворенного кислорода создаются условия, способствующие жизнедеятельности сульфатвосстанавливающих бактерий. Начинается активное взаимодействие сульфатов океанической воды и органического вещества, которое в упрощенном виде выражается реакциями

Процессы эти могут активно протекать и при дальнейшем погружении осадков и захороненных в них седиментогенных вод, вплоть до температур 100—110 °С, и особенно характерны для нефтегазоносных районов.
Вторым процессом, который может протекать на первых стадиях формирования осадков, но активизируется при повышенных температурах, является вторичная доломитизация карбонатных пород

В результате этого процесса первичная океаническая вода теряет часть магния, но обогащается кальцием. В зонах низкотемпературного метаморфизма (100—150 °С) процессы эти протекают особенно активно. В результате образуются многочисленные оторочки вторичных доломитов в зонах гидротермально измененных пород.
В терригенных породах активно протекает процесс альбитизации плагиоклазов. Одной из составляющих этого процесса является вторичная каолинизация основных плагиоклазов, приводящая к выходу в раствор кальция. Процессы эти протекают в условиях кислой среды, приводят к нейтрализации растворов и часто сопровождаются выделением воды, приводящим к уменьшению общей минерализации подземных вод. При температурах более 300 °C процессы ослабляются. В самом общем виде процесс альбитизации плагиоклазов можно представить в следующем виде:

Состав седиментогенных вод в процессе литогенеза изменяется не только под влиянием их взаимодействия с горными породами, но и в результате смешения с водами другого генезиса — инфильтрационными, возрожденными, продуктами дегазации мантии и др. Поэтому в конце концов первичная океаническая вода в глубоких зонах метаморфизма представляет собой глубинный флюид сложного генезиса с трудноопределимыми генетическими составляющими. На ее состав оказывают большое влияние процессы термической переплавки осадочных и интрузивных пород, подъем мантийных газов и паров. Роль метаморфизма и метаморфогенных вод, выделяющихся при глубинных геохимических процессах, особенно хорошо прослеживается при термической переработке карбонатных пород, с которой связано образование высоких концентраций углекислого газа. Приведем примеры соответствующих реакций.
Стадия зеленых сланцев (t 100—250 °С, р до 400 МПа):

Эпидот-альбитовая стадия (t 140—460 °С, р до 700 МПа):

Стадия амфиболитов (t 300—660 °C, р до 1000 МПа):

Стадия гранулитов (t 460—1000 °C, р более 1000 МПа):

Каждая из стадий метаморфизма ведет к постепенному выделению новых порций воды. Смесь паров воды и углекислого газа под действием высоких давлений поднимается по зонам разломных нарушений к поверхности Земли, активно воздействует на карбонатные и силикатные породы, смешивается с инфильтрогенными водами. В результате образуются углекислые источники, локализующиеся только в тектонически активных районах.
В зонах современного вулканизма к смеси паров воды и углекислого газа добавляются вулканические летучие компоненты (сероводород, хлор, бром, гелий, водород). Формируются кипящие фумаролы и сольфатары, представляющие собой растворы сильных кислот, обогащенные алюминием, железом и другими металлами.
Восходящая ветвь литогенического цикла связана с выходом морских осадков на поверхность при поднятии территорий (регрессиях). На этом этапе сформировавшиеся седиментогенные воды смешиваются с водами инфильтрационными. Сопровождаются эти процессы интенсивным протеканием реакций катионного обмена. Сносимый с суши инфильтрационными водами кальций обменивается на натрий глинистого комплекса пород. В обобщенном виде этот процесс можно описать реакцией

М.Г. Валяшко назвал эти процессы метаморфизацией морской воды в обратном направлении.
Собственно геологический цикл связан со схемой движения океанического дна, разработанной в теории плит. Материал мантии, поднимаясь к поверхности в зоне срединных хребтов, взаимодействует с океанической водой, образуя серпентинизированный перидотит. В самом общем виде этот процесс, протекающий при температурах 300—400 °С, описывается реакцией

Происходит как бы консервация морской воды в серпентинизированном перидотите, а минерализация остаточного раствора при этом может повыситься до 50—100 г/л. На нисходящей ветви движения происходит десерпентинизация пород и вода возвращается в океан. Процессы эти протекают при высоких температурах, сопровождаются местными циклами круговорота элементов, участием мантийных летучих компонентов, концентрацией металлов. Важной их особенностью является то, что часть нагретой метаморфизованной и обогащенной новыми компонентами океанической воды может мигрировать обратно в океан в зонах разломов, возможно, близко от тех мест, где она поступала в перидотитовый слой. В результате в зонах срединных хребтов образуется большое количество гидротермальных полей, где наблюдаются выходы на поверхность гидротерм с температурой до 300—350 °С, из которых вблизи разломных зон осаждается комплекс современных карбонатных и силикатных гидротермальных отложений, обогащенных металлами. Каждый такой участок характеризуется своими специфическими особенностями, определяемыми геологической обстановкой. Так, например, в формировании известных термальных крепких рассолов впадин Красного моря участвуют современные морские воды, растворяющие соли миоценовых эвапоритовых формаций, а также седиментогенные и магматогенные воды, В зоне Восточно-Тихоокеанского поднятия, к поверхности поднимаются нагретые морские воды, обогащенные компонентами, по-видимому, мантийного генезиса. В образовавшихся здесь осадках содержание железа достигает 13,9, меди — 0,7, цинка — 30,6, свинца — 0,05, кобальта — 0,05, серебра — 0,03 %. Французские исследователи (Р. Хекиниан, И. Фуке, Д. Биде) в том же районе на площади 20х0,6 км обнаружили 80 гидротермальных полей. Рудные массы, ими образованные, оцениваются в 30 000 т, а продолжительность накопления — менее 100 лет.
Таким образом, геологический круговорот воды и в своем литогеническом и в собственно геологическом цикле является мощным механизмом переноса вещества, сопровождающегося активным взаимодействием воды с горными породами, вовлечением мантийного вещества в водные круговороты, а в отдельных случаях и формированием месторождений полезных ископаемых.

title-icon Подобные новости