Подземная гидросфера

Одним из первых механизм концентрационной диффузии для выяснения закономерностей переноса растворенного вещества использовал доктор геолого-минералогических наук С. И. Смирнов. Проведенные им расчеты дали поразительные результаты. Они показали, что растворенные минеральные вещества могут мигрировать в течение геологического времени на расстояния, измеряемые километрами, и пронизывать всю мощность осадочной толщи, при этом перемещается хорошо ощутимая масса растворенных веществ.

Выводы С. И. Смирнова подтвердили другие ученые, хотя и не в столь категоричной форме. Концентрационная диффузия, как теперь установлено, представляет основной вид перемещения растворенного вещества в глубоких водоносных горизонтах осадочных бассейнов. В существенной мере она вызывает обессоливание седиментогенных вод. И тем сильнее, чем она продолжительнее, то есть чем древнее возраст водовмещающих пород.

Фильтрация, движущей силой которой служит напорный градиент, сочетает механическое (конвективное) и диффузионное перемещение вещества. Этот вид переноса, вероятно, представляют все, но не все, по-видимому, знают, что он происходит двумя «потоками»: макроскопическим и молекулярным, поэтому его называют диффузионно-конвективным массопереносом. Итог такого перемещения — смешение вод различного состава и различной минерализации. В зависимости от объема смешивающихся вод, а также влияния некоторых других условий смешение вод сопровождается активизацией процессов массопереноса, перевода вещества в раствор и вывода его из раствора.

В чем различие процессов, переводящих вещества в раствор, — гидролиза, выщелачивания и растворения?

Представим себе взаимодействие воды с кристаллической породой, скажем, гранитом или гнейсом. Такие породы называют инертными по отношению к выщелачиванию и растворению. Однако и они разлагаются, хотя и медленно (в геологическом понимании!), главным образом путем вытеснения ионом водорода воды иона металла породы. Это и есть гидролиз — процесс, который обычно формирует ионно-солевой состав ультрапресных и пресных вод, содержащих кремнекислоту. Важным условием протекания реакций гидролиза следует считать активный водообмен, обеспечивающий удаление продуктов гидролитического разложения. Тогда процесс идет до полного разложения исходной горной породы.

Грань между выщелачиванием и растворением в значительной мере условна. При выщелачивании порода переходит в раствор частично, растворение же вызывает полное разрушение кристаллической решетки минерала. Подземные воды полностью усваивают лишь немногие соли, отличающиеся высокой растворимостью. По отношению к растворению выщелачивание представляет более общий процесс — его воздействию подвержены все горные породы.

Процессы выщелачивания и растворения стимулируются такими веществами, как кислород, углекислота, серная кислота, которые способствуют предварительному разложению труднорастворимых минералов. В результате выщелачивания и растворения создается состав подавляющей массы пресных и минерализованных вод верхних водоносных горизонтов.

Удаление веществ из раствора обязано преимущественно выпадению их в осадок в виде солей, когда соли достигают предела растворимости. Кристаллизации благоприятствует изменение общей геохимической обстановки за счет концентрирования растворенного вещества, выделения газов, смешения вод разного состава, сдвига термодинамического, кислотно-щелочного и окислительно-восстановительного равновесий.

Хорошей иллюстрацией сказанному может быть выпадение солей из предельно насыщенного рассола, когда в результате смены температуры и давления растворимость солей оказывается выше предела насыщения (см. рис. 9). Пример — упомянутые гейзериты или травертины, отлагающиеся вокруг источников, засоление почв при испарении или вымораживании, а также осаждение растворенных веществ на геохимических барьерах. Таким образом, гидрогенное минералообразование (такое наименование получил этот процесс) сопровождаете существенным изменением состава подземных вод.

При соприкосновении с различными поглотителями (глинами, коллоидами и т. д.) растворенные вещества могут удаляться и из ненасыщенных солями подземных вод. Этот процесс потери их раствором называется сорбцией. Особенно легко сорбируются редкие элементы.

Процессы, сочетающие воспроизводство и поглощение растворенного вещества, носят обменный характер.

Весьма велика роль ионного обмена. Поскольку частицы горных пород имеют преимущественно отрицательный заряд, между подземными водами и вмещающими породами совершается большей частью обменная адсорбция катионами, благодаря чему переходят в раствор кальций или натрий, обменивающиеся на эквивалентное количество соответственно натрия или кальция. Обменно-адсорбционные процессы совершаются главным образом в верхних горизонтах осадочных толщ, однако высокие скорости движения подземных вод для этого неблагоприятны.