История земли. Подземные воды

«Вода вездесуща, и нет минерала или иного тела на Земле, в состав которого она бы не входила и на строение которого не влияла», — писал академик В. И. Вернадский. Действительно, если бы земная кора стала эдруг прозрачной, мы бы увидели, что она до самых больших глубин пронизана водоносными пластами или заполненными водой трещинами.

Объем всех подземных вод в земной коре во всех состояниях огромен — 60 000 тыс. км3. В зоне активного водообмена, от поверхности примерно до глубины 800 м, содержится около 4 млн. км3 воды.

Рассказывая о происхождении океана, мы говорили, что пары воды выделялись из первичного вещества планеты. И сейчас на глубине идет этот процесс, причем пары воды поднимаются вверх. Часть их выбрасывается на поверхность Земли при извержении вулканов. В толщу материков по их окраинам фильтруется морская вода. По закону сообщающихся сосудов она должна располагаться очень глубоко — ниже уровня моря. Под влиянием повышения температуры и давления вода также выделяется из горных пород при их погружении на глубину вследствие тектонических процессов. Это всё второстепенные источники подземных вод.

Подземные воды

Основной же источник пополнения подземных вод — атмосферные осадки. Они непосредственно просачиваются в грунт после дождя и при таянии снега или фильтруются в грунт через реки и озера. Кроме того, вода конденсируется в верхних слоях грунта при охлаждении водяных паров.

Верховодка

У поверхности грунта располагаются почвенные воды (верховодка). Воды эти неустойчивы, они обильно увлажняют почву в дождливое время и почти исчезают в засушливый период. С почвенными водами связано основное питание растений влагой и, следовательно, плодородие почвы. Накопление и сбережение почвенной влаги — одна из главных забот земледельцев. Рыхление почвы увеличивает фильтрацию атмосферных осадков, открывает доступ воздуху, несущему водяные пары к корням растений и, нарушая систему капилляров, уменьшает испарение.

Вода с поверхности просачивается в грунт до водоупорного слоя, например глины. После этого она начинает сочиться вдоль по его уклону. Так образуется верхний подземный водоносный слой. Если водоносный слой зажат между двумя водоупорными слоями, его называют межпластовым. В пониженной части такого слоя образуется гидравлический напор: он стремится выжать воду через естественную или искусственную скважину и даже выбросить ее фонтаном до уровня, на котором находится более высокая часть этого слоя. Подземные напорные воды называют артезианскими, от слова «артезия» — древнее название французской провинции Артезия, где в XIII в. был вырыт первый в Европе глубокий колодец. Артезианская вода профильтрована через поры грунта и отличается чистотой.

В школе вы познакомились с одним из свойств жидкостей — капиллярностью. В некоторых случаях жидкость не повинуется силе тяжести, а, смачивая стенки заключающей ее трубки, поднимается до тех пор, пока вес столбика воды и сила капиллярного поднятия не уравновесятся. Чем тоньше трубка, тем выше поднимется жидкость. То же происходит с водой в порах грунта. Капиллярная вода в зависимости от диаметра пор между частицами грунта поднимается над водоносным слоем то выше, то ниже, поэтому поверхность верхнего водоносного слоя неровная. Ее называют капиллярной каймой. Ровную поверхность подземной воды можно увидеть только в колодце.

В засушливых районах почвенная вода не достигает уровня подземных вод и как бы повисает над ними, поэтому ее иногда называют подвешенной. Капиллярность удерживает подвешенную (почвенную) воду в порах грунта и подтягивает кверху по мере испарения ее с поверхности почвы.

Между почвенной (подвешенной) и грунтовой водой расположен слой, содержащий только пленочную воду. Эта вода обволакивает частицы грунта и удерживается на них с силой, которая намного превышает всасывающую силу корней.

Когда в жарких засушливых странах, где велико испарение, капиллярная кайма подземного водоносного слоя поднимается к поверхности или смыкается с почвенной водой, происходит засоление почвы. Вода испаряется и оставляет на поверхности Земли растворенные в ней соли. Это нередко случается и на полях с искусственным орошением, если их не промывать и не удалять избыток воды с помощью дренажных канав, глубоких колодцев или труб, проложенных в подпочвенном слое.

Вода под землей

Вода под землей встречается в жидком состоянии, твердом (лед в районах вечной мерзлоты) и газообразном (пар). С глубиной пресную холодную воду сменяют теплые слабо минерализованные воды, потом горячие сильно минерализованные. Степень минерализации воды зависит от времени пребывания ее под землей и от пород, в которых она находится, а температура воды — от температуры и давления на глубине.

С глубиной физическое состояние воды меняется. Сначала переходят в жидкое состояние водяные пары и обычный «холодный» лед. С повышением температуры и давления освобождается от молекулярного притяжения пленочная вода. При сильном повышении температуры освобождается вода, заключенная в кристаллических решетках минералов (см. стр. 56). Эта так называемая кристаллизационная вода участвует в построении молекул вещества и выделяется только при их разрушении под влиянием нагрева. Количество этой воды не так уже мало, в некоторых минералах ее весовое количество достигает 20% и даже больше.

Растущее с глубиной давление опережает нагрев воды и не позволяет ей превратиться в пар даже при температуре, превышающей критическую (374°, 15).

На очень больших глубинах вода в земной коре уплотняется и, вероятно, представляет собой нечто вроде «горячего льда». Такой «лед» с температурой +80° удавалось получать под давлением в десятки тысяч атмосфер в лабораторных условиях. При нормальном атмосферном давлении и температуре более 1000° вода разлагается на составляющие ее газы — водород и кислород. Но огромное давление в глубинах земной коры препятствует этому процессу или затрудняет его.

Вода, подогретая теплом, которое выделяется из мантии, подстилающей земную кору, местами поднимается вверх. Такие места называют термическими окнами. После охлаждения в верхних слоях коры вода под действием силы тяжести опять опускается вниз. В земной коре возникают внутренние круговороты воды, которые переносят, отлагают, снова растворяют и переотлагают различные соли и образуют залежи рудных ископаемых.

Минерализованные подземные воды и сами могут служить «жидкой рудой», пригодной для промышленного получения различных химических элементов. Из воды соленых источников издавна выпаривалась поваренная соль, в Японии из гидротермальных вод добывается германий (ценный полупроводник), в Италии из подземной пароводяной смеси извлекаются борная кислота, хлористый аммоний и углекислота. Богаты минеральными солями и термальные воды Советского Союза. Подземные воды при выходе на поверхность испаряются, откладывают часть содержащихся в них химических элементов и образуют «ореолы рассеяния». По ним геологи находят рудные залежи меди, цинка, свинца, мышьяка, а также редкие элементы: уран, торий, ванадий, молибден, золото и др.

В горных и предгорных районах нередко глубинные горячие и сильно минерализованные воды, поднимаясь к поверхности Земли, встречаются с подземными водами, недавно образовавшимися из атмосферных осадков и потому богатыми кислородом. В таких местах возникают мощные термальные источники и рудные месторождения, например на Кавказе и в горных областях Средней Азии.

Подземные воды верхних горизонтов тесно связаны с близлежащими реками. Вода разлившихся весной ручьев и рек проникает в грунт, увеличивает запасы подземных вод и повышает их уровень. В засушливое время года, наоборот, уровень воды в реках понижается и подземные воды отдают им свой «долг», предохраняя реки от обмеления. Подземное питание представляет собой очень важную и почти не изменяющуюся часть общего питания рек. В среднем для всей суши оно равно 1/3 годового стока рек, а для рек СССР несколько меньше — около 1/4 речного стока, т. е. примерно 1000 км3. Объясняется это тем, что самые полноводные реки на территории Советского Союза протекают в основном по районам вечной мерзлоты, где подземный сток очень мал.

В СССР области сплошного распространения пресных подземных вод — равнины (за исключением засушливых), межгорные впадины и склоны горных хребтов, покрытые мощным слоем рыхлых осадков. В пустынях и полупустынях встречаются линзы пресных вод, как бы плавающие на поверхности более глубоких минерализованных вод. Эти линзы образованы местными атмосферными осадками или фильтрацией из рек, тогда как подстилающие их соленые воды поступили из дальних предгорных районов и за долгое время пребывания под землей сильно осолонились.

Общие эксплуатационные ресурсы подземных пресных вод на территории СССР оцениваются примерно в 200—250 км3, что близко к годовому стоку Волги. Накопление пресных подземных вод — процесс долгий, поэтому расходовать их надо осмотрительно, преимущественно на бытовые нужды и пищевую промышленность.

Пресная вода

Подземные пресные воды играют большую роль в водоснабжении. Миллионы буровых скважин и колодцев снабжают водой население всех пяти частей света. Около 80% сельского и половина городского населения Советского Союза пользуются пресными подземными водами. В Дании, Бельгии и Финляндии из подземных ресурсов берут 90% воды, в Голландии, Марокко — 70% и т. д. В некоторых районах земного шара подземные воды сильно истощены. В Калифорнии за 20 лет уровень подземных вод понизился на 30 м. «Перерасход» подземных вод отмечен и в некоторых районах СССР. Очень часто к истощению грунтовых вод и понижению их уровня приводит чрезмерная вырубка лесов. В случае, если забор воды превышает ее приток, под землей образуются «воронки», а местами часть территории оседает, как это случилось в Токио и Мехико.

При большом потреблении подземных вод, чтобы избежать истощения, их пополняют искусственным путем во время половодья или паводков. Для этого разработаны различные технические приемы, основанные на фильтрации воды в грунт. Подземные «водохранилища» не теряют воду на испарение.

Минеральные воды

Подземные минеральные воды широко используют в лечебных целях. Теплые (термальные) и горячие (высокотермальные) воды, поднятые на поверхность Земли, обогревают города, теплицы, бассейны и даже вращают турбины электростанций. Термальные воды используются в «стране гейзеров» — Исландии, а также в Новой Зеландии и Италии.

В СССР общие ресурсы термальных вод исчисляются в 15—20 млн. м3/сутки, что равноценно сжиганию 100 млн. т условного топлива. Небольшая гидротермальная электростанция работает у нас на Камчатке. Ведется строительство еще двух — на Камчатке и на Курильских островах. Термальные воды обогревают здания в Махачкале, Тбилиси, Грозном, Ташкенте. Разработаны проекты использования термальных вод для городских нужд еще в 60 городах.

Подземные пресные воды всегда были и остаются самой ценной частью мирового запаса пресных вод. Их надо разумно расходовать, беречь от загрязнения и, если потребуется, искусственно восстанавливать. Пресные речные, озерные и подземные воды — национальное богатство каждой страны.