Гидросфера – как геологическая система

Гидросфера – объединяет все известные нам формы природных вод:

• растворённые в магматических расплавах,
• находящиеся в химическом соединении с минералами,
• сорбированные поверхностью минеральных зёрен,
• капиллярные,
• осмотические,
• вакуольные,
• биологически связанные,
• жидкие,
• твёрдые и
• парообразные.

Эти формы постоянно переходят одна в другую и взаимодействуют с вмещающими средами. Например, жидкая вода превращается в пар и лёд, пар конденсируется, лёд тает. При возникновении многих минералов вода входит в их кристаллическую решётку (скажем, гипс – CaSO₄.2Н₂О, мусковит – KAL₂(OH)₂[ALSi₂O₁₀] и др.), при повышении температуры эти минералы воду теряют. Молекулы воды удерживаются и поверхностью минеральных зёрен, хотя эта связь сохраняется лишь при невысоких температурах [ до (100 ¸ 300) ⁰С] . Вода понижает температуру плавления пород и является составной часть магм. Прямо или косвенно вода участвует во всех природных процессах, происходящих на Земле, и в этом состоит её всюдность (по выражению акад. В.И.Венадского). Именно эти процессы объединяют все известные формы природных вод, формируют их единство и определяют ту целостность гидросферы, которая делает её геологическоё системой.

По преобладающим формам существования воды, по особенностям вмещающей среды, господствующим типам массопереноса гидросфера может быть расчленена на квазиизолированные группы разных порядков. К группам первого порядка относятся: воды в атмосфере, воды на поверхности Земли и воды подземные. Каждая из этих групп делится на подгруппы более высоких порядков. Например,

• в атмосфере можно выделить воды разных ярусов облачности;
• на поверхности Земли – воды океанов, морей и суши;
• в недрах Земли – воды литосферы и мантии;
• в пределах литосферы – воды кристаллического фундамента и осадочного чехла, в которых в свою очередь выделяют воды артезианских бассейнов и гидрогеологических массивов и так далее до отдельного водоносного горизонта.

Квазиизолированность структурных элементов гидросферы создаётся различными формами круговоротов воды (см. Круговороты природных вод):

• В атмосфере – водообменами: океан – атмосфера, суша – атмосфера, океан – суша (атмосферная ветвь).
• На поверхности Земли – через речной сток.
• В её недрах – через подземный сток, вулканические и метаморфические процессы, осадконакопление в водных бассейнах, литификацию и т.д.

Все формы круговоротов воды представляют собой почти цикличные процессы. Их повторяемость и балансовая устойчивость формируют внутреннюю структуру гидросферы, создавая определённую автономию различных её частей в соответствии с типом и масштабом самого круговорота (планетарного, регионального и т.д.). В тоже время взаимодействие различных ветвей и форм круговоротов создаёт на отдельных участках внутренних границ гидросферы зоны возбуждения, в пределах которых водообмен резко возрастает.

Например, на поверхности океана такими зонами являются:

• штормовые поля, тропические ураганы;
• в атмосфере – струи вертикальной циркуляции;
• на суше – устья рек в паводок;
• в земной коре – области активной денудации и эрозионного раскрытия водоносных горизонтов, области аномальных тектонических напряжений и магматической активности.

Таким образом, круговороты воды на Земле с одной стороны расчленяют гидросферу на части, создавая различные типы пространственно-временной организованности подсистем вода Û среда, с другой – создают условия для временного разрушения существующего структурного уровня (в разных масштабах пространства и времени).

Фундаментальные свойства гидросферы как геологической системы (присущими только гидросфере в целом):

• Консервативностью отношений водаÛ среда, обеспечивающей её гетерогенность (коллективная структуризация).
• Способностью обеспечить наиболее высокий к.п.д. тепловой машины Земля, т.е. наиболее выгодную форму теплопередачи из недр Земли к её периферии как планеты.

Открытие этих свойств (А.Н. Павлов, 1982) коренным образом меняет представление о гидросфере как прерывистой водной оболочке Земли, располагающейся между атмосферой и литосферой, как простой совокупности океанов, морей континентальных водоёмов и ледяных покровов, которым всё ещё пользуется география. Оно позволяет рассматривать гидросферу как геологическую систему, в которой все известные нам формы природных вод (физические, химические, биологические) формируют квазиизолированные подсистемы, существующие благодаря коллективной структуризации вода-среда и благодаря способности обеспечить наиболее эффективный перенос тепла из глубин Земли к её внешней границе (А.Павлов,1985).

Возникновение гидросферы во многом ещё дискуссионно. До недавнего времени большинство специалистов разделяло взгляды акад. В.П.Виноградова, в соответствии с которыми гидросфера возникла как продукт дифференциации мантии в результате её дегазации по механизму зонной плавки. Однако в настоящее время эти взгляды подвергаются серьёзной критике. Если же исходить из современных представлений о горячем начале Земли гидросфера возникла в самом конце этого процесса и в её развитии можно выделить две фазы:

• обводнение верхней мантии (в 20% по массе наружном слое) и
• её обезвоживание, совпадающее по времени с геологическим этапом развития Земли.

На первой фазе в 20% слое возникла пористость и трещинноватость (до конденсации воды), затем появилась вода физически связанная, далее в результате ряда последующих процессов возникли воды химически связанные и на последней стадии – свободные (А.Павлов,1990).

Современная гидросфера – результат длительной эволюции Земли и глубокой дифференциации её вещества. Воды рек и озёр, подземные воды, занимая сравнительно малую долю в общей массе гидросферы, играют важнейшую роль, являясь источником водоснабжения, орошения и обводнения. Управление круговоротом этих вод, использование их для нужд человечества – важная научная проблема, имеющая большое экономическое и социальное значение.

Литература:

1. Общая и полевая геология. Под ред. А. Павлова. – Л.: ЛО Недра, 1991. – 456 с.

2. Павлов А.Н. Геологический круговорот воды на Земле. – Л.: ЛО Недра, 1977. – 141 с.

3. Павлов А.Н. Подземные воды как структурный элемент гидросферы. – Л.: ЛГИ, 1982. – 44 с.

4. Павлов А.Н. Системная модель подземной гидросферы // В кн.: подземные воды и эволюция литосферы. В 2-х томах, 1985. – Т.1. – М.: Наука, 1985. – С. 78– 83.

5. Павлов А.Н. геологическая модель формирования подземной гидросферы. – Сб. научных тр. “Идея развития в геологии: вещественный и структурный аспекты. Новосибирск, наука С.О., 1990. – С. 54 –62.