Круговороты природных вод.
Автор: Павлов А.Н.
Общий круговорот воды на Земле в настоящее время принято разделять два типа:
КЛИМАТИЧЕСКИЙ КРУГОВОРОТ можно представить в виде следующей схемы:
в которой А - означает атмосферный цикл, Р - поверхностный, П - подземный, МКО - малый круговорот океана, МКС - малый круговорот суши.
Структура климатического круговорота изучается достаточно давно. Однако в целом для Земли дифференцированного водного баланса по большому и малым круговоротам все еще не получено.
Наиболее сложным является большой круговорот. Он представляет собой водообмен между океаном и сушей. Вот его характеристика.
Атмосферный цикл. Протекает по схеме:
Океан® атмосфера® суша® атмосфера® океан.
Он очень непродолжителен, его время измеряется сутками. По М. И. Львовичу, круговорот водяного пара в атмосфере в среднем составляет 0,027 года. Среднее содержание растворенных веществ в атмосферных осадках невелико: по В. И. Вернадскому – 34 мг/л, по В. М. Дроздовой (для территории СССР) – 21 мг/л. Однако многократность атмосферного цикла в течение года обусловливает довольно интенсивный обмен водой между сушей и океаном.
Можно приближенно оценить атмосферный привнес растворенных веществ с суши в океан – порядка 600 млн. т/год и из океана на сушу – около 800 млн. т/год. Модули этих величин: для суши 4, а для океана 2,2 т/(км2-год). Эти цифры являются ориентировочными. Тем не менее, будучи основанными на средних значениях расчетных характеристик, они позволяют сделать два важных вывода:
Цикл поверхностного стока. Его можно изобразить в виде схемы:
океан® атмосфера® суша® поверхностный сток® океан.
Годовой объем речного стока в океан разными авторами оценивался по-разному. По Г. А. Максимовичу, для всей суши без пустынь и полупустынь он составляет 34667 км3, по О. А. Алекину – 35560км3, по М. И. Львовичу – 41 000 км3.
Для территории СССР были проведены детальные работы по изучению водных ресурсов и водного баланса, которые позволили подсчитать не только водные ресурсы основных рек, но и водный баланс речных водосборов по бассейнам омывающих морей за многолетний период. По М. И. Львовичу, в речном стоке доля поверхностных вод для всей суши равняется приблизительно 68 %.
По своей продолжительности цикл поверхностного стока можно отнести к числу мобильных, его время измеряется сутками и десятками суток (длительность паводков и половодий). По М. И. Львовичу, интенсивность полного водообмена поверхностного стока оценивается в среднем для земного шара приблизительно в 0,033 года.
По О. А. Алекину, средняя минерализация вод речного стока равна 89,2 мг/л, а ежегодный вынос в океан растворенных солей достигает 3171 млн. т. Годовой поверхностный сток в океан можно оценить приблизительно в 24200 км3, а количество выносимых с ним солей 900 млн. т или 6 т/(км2 Ч год), если принять среднюю минерализацию подземных вод, питающих реки, 200 мг/л (по В.И. Вернадскому).
Цикл подземного стока. Под циклом подземного стока следует понимать процесс водообмена между океаном и сушей, протекающий по схеме:
океан® атмосфера® суша® инфильтрация в горные породы® подземный сток в реки и вместе с поверхностными водами в океан (или непосредственно в море).
Годовой объем подземного стока для земного шара в целом не подсчитывался. Однако о порядке этой величины говорить можно. По М. И. Львовичу, подземный сток через реки составляет 12000 км3/год, по данным О. А. Алекина приблизительно 11 360 км3/год.
Непосредственный сток подземных вод в Мировой океан, т. е. сток вдоль береговой линии и на шельфе, в среднем составляет около 2 % притока речных вод и изменяется по ориентировочным оценкам от 800 до 2500 км3/год. Были проведены и более точные дифференцированные оценки по континентам, островам, отдельным морям. Результаты оказались близки 2400 км3/год, в том числе по континентам 1485 км'/год, а по крупным островам 915 км3/год.
Продолжительность подземного цикла значительная. К настоящему времени накопились данные, которые показывают, что продолжительность цикла подземного стока в различных физико-географических и геологических условиях чаще всего измеряется десятками и сотнями лет.
Химический состав и минерализация вод, участвующих в цикле подземного стока, довольно пестрые, но изменяются более или менее закономерно в зависимости от физико-географических, геологических и гидродинамических условий. Средняя минерализация подземных вод, разгружающихся в моря и океаны, может быть оценена по данным меженного стока рек и составляет примерно 200 мг/л. Суммарный вынос солей при этом достигает 1300 млн. год.
В цикле подземного стока поступление вод в моря и океаны может происходить разными путями. Часть подземных вод участвует в речном стоке, значительное количество переносится в виде подрусловых аллювиальных потоков, часть разгружается в виде источников или фильтруется широким фронтом вдоль линии берега на различных глубинах при выклинивании водоносных горизонтов в пределах шельфа или материкового склона.
Для циклов климатического круговорота воды можно выделить две главные общие черты:
Отличаются циклы лишь завершающей стадией, приводящей во всех случаях к возвращению океанических паров в океан.
ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ КРУГОВОРОТ можно представить в виде схемы:
где ГГ – гидрогеологический цикл; ИН – инфильтрационный этап; ЭЛ – элизионный этап; СГ – собственно геологический цикл; НОК – этап новообразования океанической коры (серпентинизация перидотитов, блуждающая циркуляция в рифтовых областях, подводный вулканизм); ПОК – этап погружения океанической коры (литификация осадков, метаморфизм, гранитизация, метасоматоз, десерпентинизация).
Гидрогеологический цикл. Понятие гидрогеологического цикла было впервые предложено и сформулировано А. Н. Семихатовым, который относил к нему условия и процессы изменения солевого состава вод в промежуток времени между двумя следующими друг за другом трансгрессиями морских бассейнов, разделенных периодами складчатости и поднятия. В настоящее время в каждом гидрогеологическом цикле выделяются два этапа:
На первом этапе происходят осадконакопление и тектоническое погружение, сопровождающиеся геостатически-элизионным и особенно геодинамически-элизионным водообменом, т. е. выжиманием седиментогенных вод из водоупоров (глин, соленосных толщ, известняков и т. д.) в пласты коллектора (пески, песчаники, трещиноватые известняки и т. д.). При поднятии бассейна осадконакопления происходит денудация водоупорных и водоносных слоев и наступает второй этап гидрогеологического цикла – инфильтрационный, на котором метеогенные воды проникают в глубокие горизонты и постепенно заменяют воды седиментогенные. Однако такая замена обычно является неполной. Среди инфильтрационных вод спорадически сохраняются остатки древних седиментогенных вод, сами же инфильтрационные воды не просто вытесняют седиментогенные, но смешиваются с ними, образуют языки проникновения. После нескольких гидрогеологических циклов гидрогеологическая обстановка в системе вода-порода становится чрезвычайно сложной.
Позже эта схема была дополнена процессами, связанными с метаморфизмом погружающихся пород и сопровождающей его дегидратацией минералов, а также возможностью появления в этих толщах магматогенных вод (при внедрении магматических очагов и проявлением вулканизма). С учетом этих явлений гидрогеологический цикл стали иногда называть литогеническим.
Наиболее важная особенность гидрогеологического (литогенического) цикла заключается в том, что поступление океанических вод на континент происходит вместе и одновременно с поступлением самих пород по схеме:
океан® морские осадки (горные породы).
В этом отношении гидрогеологический (литогенический) цикл является элементом развития континентальной коры, и его связь с климатическим круговоротом представляется естественной.
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 этой 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 существует конвективный поток вещества противоположного направления (к срединным хребтам и возвышенностям) (рис. 1).
Рис. 1. Схема обновления океанического дна и процесс преобразования базальта в
эклогит (по X. Хессу, в интерпретации А. Э. Рингвуда и Д. X.Грина [1968 г.]
1 – уровень океана; 2 – континентальная кора; 3 – складчатость геосинклинали; 4 – вулканы с андезитовой лавой; 5 – осадочный и базальтовый слои; 6 – океанический слой,; 7 – граница Мохо; 8 – интрузии магм кислого и среднего состава; 9 – эклогит; 10 –андезитовая магма; 11 – мантия (пиролит); 12 – базальтовая магма; 13 – остаточный перидотит; 14 – направление движения океанического дна, блоков эклогита и образующихся магм.
I –III – зоны: I – перехода базальта в эклогит, II – погружающихся блоков эклогита, III – частичного плавления пиролита.
Д – островная дуга; О – океан; X – срединно-океанический хребет.
_______________
PS. Андезит – порода среднего состава. Пиролит – гипотетическая исходная порода верхней мантии. Эклогит – горная порода глубинного происхождения.
Геосинклиналь – зона высокой подвижности, больших мощностей отложений и активного магматизма.
Теория плит наиболее интересна для модели круговорота потому, что в предлагаемом ею круговороте вещества коры и мантии можно ожидать участие морской воды. Материал мантии, поднимаясь к поверхности в зоне срединных хребтов возвышенностей, способен взаимодействовать с морской водой, образуя серпентинизированный перидотит. 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.
Однако участие морской воды в серпентинизации перидотитов некоторыми специалистами отрицается. Вместо морской воды в их схемах участвует мантийная вода, двигающаяся из глубин.
Но водообмен, связанный с серпентинизацией, является не единственной составляющей собственно геологического цикла. Литосфера океанического типа содержит 1,8 Ч 1023 см3 вод, свободных и физически связанных, которые в соответствии с теорией плитной тектоники перемещаются вместе с корой в сторону континентов и погружаются под них на участках глубоководных желобов. Вероятно, часть этих вод принимает участие в формировании гранитной коры континентов и возвращается в океан в соответствии с моделью климатического круговорота лишь при выходе этой коры на поверхность материков и через вулканический аппарат (С. Л. Шварцевым эта ветвь была названа магматогенной формой движения воды).
Другая часть вод может вовлекаться в обратные подкорковые течения и возвращаться в океан в зонах срединных хребтов и возвышенностей и через подводные извержения с магмами. Принимая время этого водообмена, равное возрасту современных океанов, ориентировочно оценивается темп этого водообмена – около 1 км3/год.
Рис. 2. Общая схема основных циклов круговорота воды на Земле.
I – щит и платформа, докембрий; II – складчатая зона, PZ; III – краевой прогиб, MZ; IV – складчатая зона, MZ,; V – миогеосинклиналь, MZ; VI – эвгеосинклиналь, KZ; VII – островная дуга; VIII – океаническая платформа; IX – срединно-океанический хребет.
1 – континентальная кора; 2 – океаническая кора; 3 – поверхность Мохо; 4 – базальтовая .магма; 5 – эклогит; 6 – андезитовая магма; 7 – изотермы, °С; 8 – конвективное движение мантийного вещества.
а – в – зоны; а – твердых и жидких структурированных вод, б – уплотненного флюида с разупорядоченной рыхлой структурой, в – мономерных молекул воды; А – атмосферный цикл; Вк – внутриконтинентальный цикл; Во – внутриокеанический цикл; Р – цикл поверхностного стока; П – цикл подземного стока; Г – гидрогеологический цикл; С – этап новообразования океанической коры; МГ – этап погружения океанической коры.
Таким образом, в соответствии с представлениями теории плит целесообразно говорить о двух этапах собственно геологического цикла круговорота воды:
Общими чертами двух циклов геологического круговорота воды являются:
Так же как и циклы климатического круговорота, гидрогеологический и собственно геологический циклы отличаются лишь завершающей стадией, на которой можно различить два разнонаправленных этапа.
Общая схема всех циклов круговорота воды показана на рис. 2. К рассмотренным циклам и этапам на нем добавлено еще два: внутриконтинентальный и внутриокеанический, известные в литературе как две формы малого круговорота. Однако они не имеют большого геологического значения, так как сводятся по существу к схеме испарение–конденсация–осадки.
Литература: