Воды инфильтрационно-атмосферного генезиса

Можно выделить три разновидности атмосферного цикла:

океан → атмосфера → океан

суша → атмосфере → суша

океан → атмосфера → суша → атмосфера → океан.

Последний вид водообмена является наиболее важным и сложным, его возможность довольно долго дискутировалась в метеорологии [4].

Атмосферный цикл очень непродолжителен, его время измеряется сутками. Круговорот водяного пара в атмосфере в среднем составляет 0,027 года.

Среднее содержание растворенных веществ в атмосферных осадках невелико – 21мг/л. Однако многократность атмосферного цикла в течение года обусловливает довольно интенсивный обмен не только между океаном и атмосферой, сушей и атмосферой, но и между сушей и океаном [5].

Источником питания их служат атмосферные осадки, поверхностные воды и воды, образующиеся при конденсации водяных паров; основным источником вещества являются горные породы, газы воздушного и биохимического происхождения.

Химический состав подземных вод формируется под воздействием агрессивных компонентов (СО₂, Н⁺, О₂) на горные породы. В результате растворения, обменных реакций, а также диффузионного выщелачивания из пород извлекаются различные элементы и их соединения. Живые организмы при этом участвуют как в разрушении горных пород и их растворении, так и в преобразовании химического состава воды.

Воды сульфатного типа приурочены к осадочным, магматическим и метаморфическим породам различного литолого-петрографического состава и генезиса.

Система NaCl – MgSO₄ – Na₂SO₄ – H₂O, характеризующая воды сульфатно-натриевого подтипа, формируется при наличии в породах гипса как первичного, так и вторичного происхождения.

Первичный гипс в осадочных толщах, накопившихся в морях повышенной солености, обычно залегает в виде пластов, прослоев, гнезд, рассеянных кристаллов и т.д., а в подверженных выветриванию соленосных отложениях образует “гипсовую шляпу”.

Вторичный гипс известен в зоне гипергенеза в осадочных толщах, отвечающих морям нормальной или пониженной солености, а также в магматических и метаморфических породах. Рассеянные в породах сульфиды, среди которых наиболее часто встречается пирит, разлагаются с образованием гипса.

Воды хлоридно-магниевого подтипа сульфатного типа, характеризующиеся системой NaCl – MgSO₄ –MgCl₂ – H₂O, распространены сравнительно редко и изучены недостаточно. Наиболее хорошо они исследованы в областях, где воды в основном являются грунтовыми и генезис их связан с выщелачиванием или молодых морских отложений, или континентальных пород различного возраста с последующим воздействием на воды процессов испарительной концентрации.

Воды карбонатного (содового) типа формируются в верхнем гидродинамическом этаже при отсутствии в геологическом разрезе гипсоносных (и соленосных) отложений. Карбонатный тип определяется системой NaCl – NaHCO₃(Na₂CO₃) – Na₂SO₄ –H₂O.

Воды карбонатного типа нередко занимают весь верхний гидродинамический этаж и известны в нижнем этаже. Среди них различают:

1. Неуглекислые карбонатные воды, наиболее характерные для верхнего этажа. Минерализация их обычно не выше 10, чаще 3 – 5 г/л; углекислота находится преимущественно в количестве, отвечающем карбонатному равновесию в растворе и образуется биохимическим путем.

2. Углекислые карбонатные воды, сложного генезиса типичные в основном для нижнего гидродинамического этажа. Минерализация их может достигать 50 – 60 г/л, содержание углекислоты обычно намного превышает равновесную концентрацию, необходимую для поддержания карбонатов щелочных земель в растворенном состоянии, углекислота имеет метаморфическое происхождение.

Воды инфильтрационно-атмосферного генезиса формируются в условиях окислительной, промежуточной или восстановительной обстановок, что зависит от положения их в гидрогеологическом разрезе.

Воды седиментационного генезиса. Источником вещества этих вод служат главным образом морские воды, “захороняющиеся” в бассейнах седиментации, а также газы биохимического, метаморфического и радиогенного происхождения. По химическому типу они хлоридно-кальциевые (значительно реже хлоридно-магниевые) и характеризуются системой NaCl –MgCl₂ –CaCl₂ – H₂O. От морской воды любой степени ее сгущения они отличаются присутствием CaCl₂ и резко пониженной концентрацией сульфатов. Минерализация их различна, но чаще всего превышает 35г/л, в отдельных случаях достигает 500 – 600 г/л и более.

В развитии подземных вод седиментационного генезиса выделяют два этапа: в поверхностном водоеме – на стадии выпадения осадка и в подземных условиях – после образования осадка и превращения его в горную породу.

На первом этапе, химический состав морской воды существенно не изменяется. Соленость их может колебаться в широком интервале.

На втором этапе происходит диагенетические преобразования морских вод, наиболее интенсивные на стадии раннего диагенеза.

Процессы, ведущие к образованию из илов горных пород, называются диагенезом. При диагенезе иловая вода превращается в поровый раствор.

На стадии раннего диагенеза за счет взаимодействия твердой фазы илов с иловым раствором происходят сложные изменения затрагивающие обе фазы. Изменения связаны а) с биохимическими процессами, идущими при участии живых организмов и органических соединений; б) с процессами литификации – превращениями минеральных компонентов осадка, в результате чего возникают новые минералы, образуются конкреции, неустойчивые минералы переходят в устойчивые, наблюдается старение коллоидов и т.д. в) с физико-химическими процессами – реакциями в жидкой фазе илов, приводящими к массопереносу (диффузии, ионному обмену и т.д.).

На участках опускания земной коры формирование осадков горных пород так называемый поздний диагенез – осуществляется в условиях высоких температур и давления. При этом породы уплотняются и консолидируются, сокращается их паровое пространство. Сокращение связанно главным образом с присутствием в разрезе глин, которые в силу особенности строения способны весьма значительно изменять величину пористости.

Гипотезы формирования хлоридно-кальциевых вод седиментационного генезиса можно разделить на две группы:

1. Наиболее распространено представление о неизменности химического типа и состава воды океана, имевшего на продолжении всей геологической истории Земли воду сульфатного типа, исключая самый ранний этап развития океана, когда вода его была сильно кислой. Сущность диагенетических изменений захваченной в бассейнах седиментации морской воды сульфатного типа в превращения ее в хлоридно-кальциевую сводится к следующим возможным процессам:

а) Удалению сульфатов из морской воды при сульфатредукции и сопряженным с нею реакциям катионного обмена натрия морской воды на адсорбированные катионы глинистых пород.

б) Взаимодействию карбонатных и силикатных минералов с компонентами морской воды и переходу магния и натрия в решетки минералов с вытеснением кальция в раствор [6].

2. Гипотезы формирования хлоридно-кальциевых вод, опирающиеся на идею эволюции химического состава вод Мирового океана, изменявшегося в процессе геологического развития земли, высказаны в разные годы А.Н. Булеевым, Ю.Ф. Корелловым. Они исходят из представления о существовании древних бессульфатных “хлоридно-кальциевых” морей, унаследовавших солевой состав от первобытного океана. В условиях характерной для последнего кислой среды поступавшие в океан катионы Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺ и K⁺ были в равной устойчивыми в растворе. Повышенные количества Ca²⁺ при очень низком содержании сульфат – иона обуславливали присутствие в воде NaCI (KCI), MgCI₂ и CaCI₂, то есть компонентов, свойственных хлоридно-кальциевому типу.

Одно из важных доказательств существования “хлоридно-кальциевых морей” в течение всего палеозоя дает анализ соленосных отложений, накопившихся в толще осадочных пород.

Хлоридно-кальциевые воды седиментационного генезиса характеризуется следующими основными чертами. Они известны в осадочных породах самого различного литологического состава и возраста. По преобладающим макрокомпонентам воды весьма однообразны, отличаются монотонным поведением главных анионов, среди преобладает хлор. Катионы ведут себя по-иону.

Воды хлоридно-магниевого подтипа сульфатного типа среди подземных вод седиментационного генезиса встречаются редко, и условия их формирования изучены слабо.

Ювенильные воды. Термин “ювенильные воды” был предложен Э. Зюссом для наименования вод, которые поднимаются из глубоких недр Земли в результате вулканической деятельности и впервые попадают на поверхность. В чистом виде даже в районах интенсивного современного вулканизма такие воды отсутствуют.

В настоящее время под ювенильными понимают подземные воды, развитые в области современной тектоно-магматической активности.

Гидрохимические особенности вод областей активного вулканизма тесно связаны со стадийностью газовыделения из вулканического очага. Установлены три стадии, сменяющиеся во времени: хлоридная, сульфатная и углекислая. На всех стадиях в вулканических газах по содержанию преобладает СО₂, но на первой стадии характерно присутствие значительных количеств HCl, на второй – H₂S.

На хлоридной и сульфатной стадиях газовыделения вулкана образуются следующие типы подземных вод [7]:

1. Хлоридно-водородные углекислые термы поверхностного формирования. Химический состав их образуется за счет растворения в приповерхностных условиях вулканических эманаций. Так как вода находится в состоянии кипения, она интенсивно испаряется, благодаря чему увеличивается минерализация.

2. Сульфатные углекисло-сероводородные термы поверхностного формирования. Располагаются в кратерах активно действующих вулканов, но отвечают стадии деятельности вулкана, когда главными газами наряду с преобладающим СО₂ являются H₂S и другие сернистые газы.

3. Хлоридно-сульфатные термы глубинного формирования. Они приурочены к склонам действующих вулканов или их подножиям и связаны обычно с вулканическими отложениями. Подземные воды растворяют какую-то часть газовых эманаций, состоящую из сернистых газов и хлористого водорода. Удаляясь от магматического очага в сторону разгрузки водоносного горизонта, подземные воды вступают во взаимодействие с окружающими горными породами, благодаря чему снижается величина их рН, они теряют алюминий и железо и обогащаются Са, Mg, Na и др.

Магматогенные воды разломных зон областей тектонической активности представляют собой растворенный в подземных водах конденсат эндогенного (глубинного) флюида.

Воды ювенильного происхождения отличаются весьма сложным и разнообразным составом, поскольку формирование их связано с эндогенными и экзогенными факторами: участием глубинных флюидов, большого количества агрессивных газов и высоких температур, с одной стороны, подземных вод инфильтрационно-атмосферного генезиса и водовмещающих пород с другой.

Находят широкое применение в качестве лечебных минеральных вод.

Воды смешанного генезиса. К этой группе относятся воды разного химического типа и состава, образующихся при смешении вод инфильтрационно-атмосферного, седиментационного и ювенильного генезиса.

Широко распространены воды, в которых ювенильным (глубинным) компонентом является СО₂. За счет воздействия СО₂ на вмещающие породы обычно формируются углекислые воды карбонатного типа.

По гидрохимическим показателям воды отличаются широким диапазоном изменения минерализации от 0,5 – 1 до 50 – 60 г/л. По химическому составу они разнообразны, наиболее часто принадлежат к щелочно-соляным или соляно-щелочным водам. Углекислый газ содержится в большом количестве: в растворе – до 2,5 – 4,5 г/л, в спонтанных газах – до 100%. По температурным условиям воды холодные, теплые и горячие (глубинного) флюида.

Воды ювенильного происхождения отличаются весьма сложным и разнообразным составом, поскольку формирование их связано эндогенными и экзогенными факторами: участием глубинных флюидов, большого количества агрессивных газов и высоких температур, с одной стороны, подземных вод инфильтрационно-атмосферного генезиса и водовмещающих пород – с другой.

Находят широкое применение в качестве лечебных вод.

Воды смешанного генезиса. К этой группе относятся воды разного химического типа и состава, образующихся при смешении вод инфильтрационно-атмосферного, седиментационного и ювенильного генезиса.

Широко распространены воды, в которых ювенильным (глубинным) компонентам является СО₂. За счет воздействия СО₂ на вмещающие породы обычно формируются углекислые воды карбонатного типа.

По гидрохимическим показателям воды отличаются широким диапазоном изменения минерализации – от 0,5 – 1 до 100%, т.е. газ может быть нацело углекислым, иногда углекисло-азотным. По температурным условиям воды холодные, теплые и горячие, иногда температура достигает 100%. В горячих водах типична высокая концентрация кремнекислоты, составляющая сотни миллиграммов на 1л. Нередко в водах присутствуют много фтора (до 10 – 20мг/л), а pH воды > 9 – 9,5.

Примером могут служить воды Кавказских минеральных источников (типа “Боржоми”, “Ессентуки №17” и “Арзни”).

Среди подземных вод смешанного генезиса интерес представляют воды хлоридно-кальциевого типа.

Распространены грунтовые воды хлоридно-кальциевого типа с минерализацией от 5 до 75г/л. Очень интересны хлоридно-кальциевые воды, выявленные на территории кристаллических щитов. Это обычно грунтовые, воды связанные как с порами выветривания кристаллических пород, так и с покрывающими их четвертичными отложениями. Воды пресные и ультрапресные. Они или являются “существенно” хлоридно-кальциевыми и содержат CaCI₂ до 30 – 40экв%, или по первым преобладающим компонентам относятся к хлоридно-натриевым. Условия формирования вод изучены слабо [8].