title-icon
Яндекс.Метрика
» » О возможности построения гидрогеологических зон в общефизических терминах (координатах пространства, времени, массы и энергии)

О возможности построения гидрогеологических зон в общефизических терминах (координатах пространства, времени, массы и энергии)

Вначале внесем ясность в физику наших представлений о зональности. С одной стороны, мы говорим, что в том или ином направлении минерализация и состав подземных вод, темп их водообмена постепенно меняются. Например, как показано на рис. 7.10—7.13, с севера на юг в соответствии с климатической и почвенно-растительной зональностью минерализация грунтовых вод возрастает, воды гидрокарбонатные и мягкие становятся жесткими, потом сульфатными и хлоридиыми. Или минерализация подземных вод увеличивается с глубиной вообще, а также по направлению погружения водоносных горизонтов, более древние воды обычно имеют минерализацию выше, чем воды молодые и т. д.
Зональность подземных вод трактуется и как плавное изменение свойств, и как существование квазиизолированных групп с достаточно резкими границами между ними. В целом можно сказать, что, когда мы прослеживаем изменение одного параметра (минерализации, концентрации конкретного иона, температуры, глубины залегания грунтовых вод и т. п.), вполне естественной выглядит модель непрерывного процесса, когда же мы воспринимаем подземные воды как многопараметрический образ, естественней выглядит модель дискретного процесса. При этом, говоря о непрерывности или дискретности изменений, мы имеем в виду пространственные и временные координаты.
На фоне общей структуризации гидросферы зональность подземных вод выглядит продуктом ее более глубокой дифференциации, формой внутренней организованности такого крупного ее элемента, как мегагруппа литосферы. Нет оснований сомневаться, что принципы структуризации на всех уровнях макрочленения должны сохраняться неизменными. Это означает, что зоны подземных вод представляют собой квазиизолированные многопараметрические множества, границы между которыми выполняют как запрещающие, так и разрешающие функции. Причем последние возникают в периоды возбуждения и разрыва границ на участках, где появляется избыток кинетической энергии в одном множестве по отношению к другому.
С таких позиций внутренняя организованность каждой зоны должна определяться как реализация квантовых принципов формирования гидросферы, а каждая зона должна отражать квантовый характер перераспределения энергии в процессе формирования подземных вод. Поэтому вслед за традиционным выделением гидрогеохимических и гидрогеодинамических зон необходимо ставить вопрос об их пространственно-временной связи, основанной на общих энергетических затратах. Такого рода задача выводит нас на уровень общефизических проблем: связи материи, пространства, времени и энергии. В нашем случае рассматривается материальная система порода—вода в определенных пространственных и временных координатах. Существование этой материальной системы в данных пространственно-временных рамках определяется некоторой порцией энергии, представляющей собой долю общеземного кванта, получаемого Землей через каждые 0,5т где т — период вращения нашей Галактики (теоретически через каждые 1,38*10в8 лет).
В такой задаче решение будет состоять не в выделении зон активного, затрудненного и весьма затрудненного водообмена, не в установлении сопутствующих этим гидрогеодинамическим зонам химических типов подземных вод, а в установлении некоторого энергосодержания пространственно заданной подсистемы и соответствующих ему значений минерализации и расхода подземных вод. В связи с этим полезно перейти и к другой терминологии. Назовем новые зоны гидрогеологическими. В основу их выделения положим пространственные параметры, определяемые физико-географическими условиями — базисом денудации, средними отметками дренируемого массива горных пород и площадью их распространения. Для всей суши Земли эти характеристики можно разделить на три группы.
1. Уровень современного океана. Средняя высота суши H1 = 0,76 км. Площадь периферийной части суши (с речным и подземным стоком) (01 = 116,8*10в6 км2.
2. Бровка современного шельфа (древний базис денудации). Средняя глубина шельфа Н2 = 0,13 км. Площадь дренируемых пород w2=w1+wш, где wш — средняя площадь шельфа, 28*10в6 км2; w2= 144,8*10в6 км2.
3. Подошва континентального склона. Средняя отметка этого базиса, к сожалению, не оценена, однако многочисленные его измерения показывают, что он находится на глубинах порядка 2 км. Площадь же ограниченного им массива пород может быть принята равной w2.
Эти классификационные границы дадут нам энергетические критерии для оценки гидрогеологических зон. В реальной же ситуации внутри этих общеземных дренируемых массивов существуют различные гидрогеохимические и гидрогеодинамические зоны, и ниже мы это обстоятельство подчеркнем. Далее оценим активное энергосодержание пород каждой классификационной зоны. Для этого воспользуемся следующей схемой.
1. За активное энергосодержание пород примем сумму энергий кристаллических решеток минералов, которые неустойчивы при экзогенных геохимических процессах. Основанием для этого служат известные геологические истины: в различных ландшафтных условиях под влиянием внешних факторов возникают устойчивые минералогические ассоциации, например каолинит, кварц, монтмориллонит, лимонит, хлориты, являющиеся конечными, нерастворимыми продуктами разложения горных пород. Сумма энергий кристаллических решеток этих устойчивых минералов гарантирует существование осадочного чехла земной коры.
2. Активное энергосодержание АЕmaх будем оценивать с помощью следующей формулы:

где mi — масса горных пород, кг; m — доля пород данного типа в общей массе; рi — доля определенной минеральной ассоциации (или минералов) в данной породе; Ui — энергия кристаллической решетки минерала, Дж/моль; Ni — килограмм-моли минеральных соединений.
3. Исключим из расчетов карбонаты и эвапориты, поскольку энергия кристаллических решеток для составляющих их минералов невелика, а кроме того, их доля среди пород осадочных областей составляет лишь 5—11 %. Оценки принимаемых для расчетов величин и сами расчеты в учебнике не приводим. Интересующихся отсылаем к работе А.Н. Павлова. Оценки модуля стока показали, что по темпу расходования активного энергозапаса пород можно выделить четыре гидрогеологические зоны:

Интересно сравнить полученные результаты с данными табл. 7.2. Зона Г—I примерно соответствует зоне активного водообмена, хотя новые границы по интенсивности стока (мм/год*м) на порядок ниже, чем в табл. 7.2. Зона Г—II полностью совпадает с зоной сравнительно активного водообмена. Для зоны Г—III в табл. 7.2 аналогов нет. Зона Г—IV хорошо совпадает с зоной замедленного водообмена.
Таким образом, мы видим, что гидрогеологические зоны достаточно хорошо увязываются с известными гидрогеодинамическими зонами, но имеют перед ними го преимущество, что выделены на основе общефизических характеристик и связывают химический состав и расход подземных вод с базисами дренирования и энергосодержанием вмещающей среды, т. е. через энергию дают обобщенную характеристику различных систем вода—горная порода. Кроме того, в отличие от гидрогеодинамических зон они охватывают весь возможный диапазон значений интенсивности подземного стока.
Из сказанного можно сделать важный общий вывод: зональность подземных вод — это форма структуризации гидросферы, материализованная через связь массы, пространства, времени и энергии. Частными проявлениями этого важного положения являются различные виды горизонтальной и вертикальной зональности подземных вод по отдельным параметрам, рассматриваемые в этом и последующих курсах.

title-icon Подобные новости