Воды седиментационного происхождения

Формирование их химического состава начинается в мо­рях и озерах, различных по условиям гидрогеологического развития, поэтому к моменту седиментации (захоронения) во­да приходит в различной степени обогащенной химическими элементами. В этот период состав и концентрацию солей в поверхностных водоемах определяет в основном испаритель-ная концентрация. Характер изменения состава вод в морскич и континентальных водоемах существенно различается.

26

Морская вода, испаряясь, сначала теряет кальциевые солп в виде минеральных осадков кальцита СаСОз и гипса CaSO₄-2H2O, затем в ней кристаллизуется главный компо­нент — галлит NaCl. Концентрация солей доетш ает сотен граммов на литр при исходном содержании 35 г/л. В дальней­шем при достижении минерализации 300—325 г/л кристалли­зуются сульфаты магния и калийные соли и вода обогащает­ся хлоридами магния. Повышается концентрация бром а, бо­ра, рубидия, лития и других редких элементов.

При седиментации поверхностных вод континентальных водоемов исходная вода, вступающая в процесс испаритель­ной концентрации, может быть самой разнообразной по обще­му содержанию и составу солей, что определяется приролпо-геологпческон историей развития водоема. Состав воды мо­жет меняться от гидрокарбонатно-кремниевого, содового до хлоридно-натриевого типа со множеством переходов в катион-ном составе.

Л. С. Шварцев (1982) на основе исследований Аль-Друбп (1976) показывает изменение гидрокарбонатно-кремпнсто-натриево-кальциевых вод оз. Чад при испарительной концент­рации. Последовательное их выпаривание приводит к увели­чению концентрации гидрокарбонатов натрия с новы шейным содержанием сульфатов и хлоридов натрия и калия, практи­чески полному осаждению солей кальция и магния при обра­зовании кальцита, аморфного кремнезема и других минера­лов. Состав седиментационных вод может быть разным при одинаковом составе исходных вод, что определяется длитель­ностью этого этапа их формирования.

Каждому этапу изменения состава исходной воды соответ­ствует определенный набор минерализованных соединений (глинистые минералы, карбонаты, сульфаты и хлориды). Это дает возможность не только восстановить наиболее характер­ные особенности исходных подземных вод, но и определить масштабы и направленность химических процессов в гидро­геологических резервуарах, что весьма важно при большемас-штабном использовании подземных вод, когда перестраивает­ся гидродинамика целых гидрогеологических систем, а это приводит к возвратному метаморфизму подземных вод и сме­шиванию вод различного генезиса. Седиментациошше воды в неизменном виде (с момента окончания испарительной кон­центрации) практически не встречаются. Дальнейшее измене­ние их химического состава происходит при смешивании с во-

27

дами других генетических типов и взаимодействии с водовмс-щающими породами.

2.3. Ювенильные воды

Воды, которые образуются под влиянием магматических процессов за счет синтеза водорода и кислорода, дегидрата­ции и других процессов, происходящих в недрах земли, и впервые появляются в подземных водах, минуя круговорот воды в природе, по предложению Э. Зюсса (1902), названы ювенильными. В настоящее время большинство исследо­вателей сходятся во мнении, что в чистом виде такие воды не (\ществуют, но вносят большие изменения в состав подзем­ных вод. Общепризнанно, что эндогенной миграции химиче­ских элементов в подземные воды способствует флюидный по­ток от мантии (с глубины от нескольких десятков километ­ров до 200 км) в земную кору вплоть до поверхности земли. Под флюидом понимается многокомпонентная смесь ве­ществ, которые находятся в надкритическом состоянии, когда стираются различия между жидкостью и газом.

Существенными компонентами флюидов являются вода в надкритическом состоянии, продукты ее термической (свобод­ный водород и кислород), электролитической (протон Н+,гид-рокснл ОН~ и кислородный ион О²^) диссоциации, а также СО₂, НС1, HF, Н₂ и другие газы. Существуют две точки зрения на флюидные потоки: одни ученые считают их сплошными, дру­гие (большинство) —локальными в зонах глубоких разломов земной коры и активной вулканической деятельности. Прохо­дя путь в мантии и земной коре, участвуя в метаморфпзации горных пород и минералов, флюиды достигают верхнпл зон земной коры в разной степени обогащенными типичными {HCi, NH₄, В, Br, I, CO₂, SiO₂ и др.) и редкими (Li, Hg, Sb, Rn, F, Rb, Cs, Pb, Те, СО, Ni, Ag, Cu, Zn и др.) химическими компо­нентами. Так, в возгонках фумарол вулкана Катмай обнару­жены разнообразные соединения сульфатов, хлоридом, фтора и серы. Установлено наличие Pb, Mo, Cu, As, Sb, Ag, Ni, Co, Те, Bi. Se, Те.

Районы активной вулканической и тектопикомагматиче-ской деятельности, видимо, нужно считать зонами особо ин­тенсивного выделения ювенильного вещества. Парогазовые выбросы характеризуются специфическим составом. Это се-роводородно-углекислые, углекисло-водородиые, азотно-угле-кислые, метановые, азотно-метановые и азотные термы. В анионно-катионном составе воды и сконденсированного па-

28

ра преобладают хлориды и сульфаты со сложным кэтионным составом, в числе которых чаще встречается натрий, водород, железо, алюминий, кальций, бор (г/л), кремнекислота (сотни мг/л), фтор, литий и др. (десятки г/л) экзогенного происхож­дения и др.

Минерализация вод терм различна —от сотен миллиграм­мов до сотен граммов на литр, рН — от 0,5 до 9,0. В рассолах (минерализация до 400 г/л), например в глубоких разломах-Карского моря, концентрация железа, свинца, меди, серебра и.юлота более чем в 50 тысяч раз превышает их содержание ц морской иоде. Эти воды обладают высокой агрессивностью и потому активизируют процессы, изменяющие химический состав смешанных вод.

Кроме ювенильных вод, большую роль в формировании химического состава подземных вод верхних горизонтов игра-юг продукты извержения вулканов, содержащие огромное ко­личество химически активных веществ. Так, вулкан Безымян­ный в 195Г) г. вместе с пеплом изверг 17,8/10^fi т легкорапво-римых веществ, которые в последующем могут стать источ­ником пополнения подземных вод. Таким образом, роль юве­нильного вещества в формировании химического состава под­земных вод огромна. Вулканические газы, пароводяные смеси повышают растворимость горных пород и минералов и выно­сят их на поверхность. Так, вулкан Муптовский в составе га-.!"п;фовых струй в год выносит около 30 тыс. г углерода, 5 тыс. т. хлора, 2,5 т серы, 200 т Са, 30 т Na, 15 т My, 9 т Ге, 8 т F, 4 т К.

2.4. Смешанные воды

Существуют смешанные воды с самым разным соотноше­нием составляющих >их вод. Например, на ранней стадии се­диментации поверхностных вод они могут включаться в ак­тивный круговорот за счет инфильтрационно-атмосферпого питания и притока грунтовых вод со стороны. Характерны в этом отношении воды пойм, где постоянно происходит захо­ронение пресных речных вод за счет отчленения от русла от­дельных участков, иногда в виде пойменных водоемов, кото­рые особенно быстро превращаются в сушу при зарегулиро­вании стока крупными водохранилищами.

Нами установлено, что такие грунтовые воды в зависимо­сти от скорости протекания русловых процессов еще долго остаются под влиянием реки, а затем все больше режим их сдвигается в сторону атмосферного и, наконец, континеиталь-

29

Гюго. В последнем случае (когда пойма искусственно лишает­ся паводков) они быстро минерализуются. Так, в пойме Ир­тыша в лесостепной зоне за 15—20 лет фронт соленых вод от террасы к руслу реки продвинулся на 60—80%, общая кон­центрация солей увеличилась с 1—2 до 32—47 г/л. Б составе вод произошли сильные изменения: гидрокарбонатно-каль-циевые слабоминерализованные речные воды (0,18—0,22 г/л) за 3—5 лет в аллювиальных осадках островов и береговых от­мелей обогатились натрием и стали гидрокарбонатно-натрие-вымп при минерализации 0,35—0,5 г/л, а затем хлоридно-нат-риевыми несколько большей минерализации.

При отступлении русла, а следовательно, уменьшении его влияния на режим грунтовых вод усиливается испарительная концентрация, по особенно заметно изменяется их химический состав, когда грунтовые воды речных террас и напорные во­ды нижележащих горизонтов начинают принимать заметное участие в подпитывании грунтовых вод поймы. Минерализа­ция быстро растет, химический состав становится устойчиво х л ори дно-натриевым со значительным содержанием сульфа­тов магния.

Иногда на переходных участках (с гидролого-климатиче­ским режимом) воды долгое время остаются сульфатно-маг­ниевыми при минерализации 2—4 г/л. В этих условиях грун­товые воды залегают близко к поверхности земли (0,6- -1,5 м) н подвергаются интенсивной испарительной концентрации, а изменению катионного состава способствуют обменные реак­ции с аллювиальными водовмещающими породами. В этих случаях быстро формируются сложные комплексы засолен­ных почв (солончаки и солонцы). Так, за 20—25 лет в степи п лесостепи пойменные земли Иртыша подверглись засоле­нию и остеппепию на 50—80 % площади.

Интересна еще одна особенность грунтовых вод поймы -изменение концентрации солей и даже гидрохимического ти­па воды в вертикальном разрезе водовмещающей толщи, при­чем наибольшая минерализация отмечается в верхних слоях (32—47 г/л), а наименьшая (до 2—8 г/л) — на границе с ко­ренными породами, представленными неогеновыми глинами. Смешанное формирование подземных вод характерно, напри­мер, для краевых участков артезианских бассейнов (В. С. Са­марина, 1977; К- В. Питьева, 1978), предгорий и межгорпых котловин. В крупнейшем Западно-Сибирском артезианском бассейне вблизи от главной зоны питания — Алтая и Салап-

30

ра—широко распространены углекислые воды карбонатного типа.

Гидрохимически щелочные воды отличаются широким диа­пазоном минерализации — от 0,5—-1 до 5—7 г/л н более, а также сочетанием гидрокарбонатов и хлоридов натрия. Зна­чительное содержание гидрокарбонатов, присутствие ряда мпкрокомгюнептов (бром, йод и др.) указывают па участие ювенильных вод is их формировании. Даже в наиболее глубо­ко погруженных участках платформ, где наиболее вероятным считается сохранение облика захороненных морских вод, от­мечается значительное изменение их химического состава под влиянием ювенильных вод. В приподнятых же частях плат­форм па морские седимептациоппые воды значительно влия­ют ипфильтрациошш-атмосферпые. Их влияние распростра­няется па глубину до 1000 м (К. Е. Питьева, 1978) и заклю­чается главным образом в разбавлении седиментационпых вод, увеличении концентрации углекислоты и, наконец, заме­щении морских вод вадозными. Однако даже при полном за­мещении седиментационных вод инфильтрационными, что мо­жет произойти за десятки и сотни миллионов лет, остаточно их влияние сохраняется: химические компоненты в сорбирован­ном и поглощенном состоянии, оставленные ими, обогащают вновь поступающие воды.

Таким образом, процесс формирования химического соста­ва подземных вод сложен и разнообразен, однако подчиняет­ся определенным закономерностям, расшифровка которых позволяет не только правильно оцепить историю развития гидрогеологических систем, по и способствует правильному использованию этих вод.