Роль подземных вод в миграции химических элементов

Рассмотрены результаты изучения подземного химического стока в горноскладчатом и плетформенном регионах. Проведен термодинамический анализ процессов взаимодействия между подземными водами и минеральным веществом горных пород, приводящих к переходу химических элементов из твердой в жидкую фазу. Рассмотрена подземная химическая денудация и ее роль как важнейшего энергетического фактора седименто-литогенеза. Показана возможность решения ряда практических вопросов: оценки скорости развития современного карстового процесса, определения   естественных  ресурсов  термоминеральных   вод,  охраны  окружающей среды.

Для широкого круга геологов — специалистов в областях геохимии, литологии, гидрогеологии и инженерной геологии.

Миграция химических элементов, по мнению А.Е. Ферсмана, представляется самым основным и важным предметом геохимических исследований, поскольку она определяет всю совокупность явлений природы, их многообразие и специфические особенности. Под миграцией он подразумевал комплекс процессов, ведущих к пространственному перемещению химических элементов с изменением их концентрации в данном участке, накоплением или рассеянием в других. Существенную часть общего круговорота вещества в земной коре составляет миграция химических элементов в водной среде.

На большую роль природных вод в перераспределении химических элементов в земной коре обращали внимание В.И. Вернадский, А.Е. Ферсман, Ф.В. Кларк, В.М. Гольдшмит, А.П. Виноградов, Н.С. Страхов, О.А. Алекин, В.Л. Барсуков, М.Г. Валяшко, P.M. Гаррелс, А.И. Перельман, А.Б. Ронов, П.П. Тимофеев, Н.И. Хитаров, А.В. Сидоренко, А.В. Щербаков, Д.Е. Уайт и многие другие исследователи.

Природные воды находятся в сложных динамических взаимоотношениях с горными породами, атмосферой и организмами. В течение всего процесса литогенеза, начиная от разрушения консолидированных изверженных, метаморфических и осадочных горных пород до образования новых осадочных пород, природные воды постоянно находятся в тесном взаимодействии с минеральным веществом, в результате чего происходит изменение как природных вод, так и минерального вещества.

Большое значение в миграции химических элементов имеют подземные воды верхних гидродинамических зон земной коры, изучение роли которых в перераспределении минерального вещества дает возможность подойти к количественной оценке некоторых современных геологических процессов: мобилизации вещества, химического выветривания и денудации, карста, а также формирования химического состава подземных вод.

В верхних частях земной коры постоянно осуществляется передвижение гравитационных подземных вод от областей питания к местам дренирования. Одновременно с массой воды мигрируют находящиеся в растворенном состоянии разнообразные химические элементы, поступающие в подземные воды в результате целого ряда физико-химических и биохимических процессов, происходящих в системе подземные воды — горные породы — живое вещество. Этот процесс совместной миграции подземных вод и растворенного вещества представляет собой подземный химический сток: на большую роль его в развитии денудации земной коры и ряда других экзогенных процессов впервые обратили внимание Ф.П. Саваренский [31] иФ.А. Макаренко [21].

Выносимые подземным химическим стоком растворенные вещества поступают непосредственно или через речную сеть в моря и океаны, являясь исходным материалом для нового цикла седиментогенеза, т. е. подземный химический сток служит важнейшим механизмом химической мобилизации вещества. Подземный химический сток также перераспределяет химические элементы в толще земной коры, с чем связано как изменение минерального вещества горных пород на разных стадиях литогенеза, так и формирование и разрушение ряда месторождений полезных ископаемых.

Изучение подземного химического стока позволяет подойти к количественной оценке интенсивности современных геохимических процессов, связанных с деятельностью подземных вод, так как оно является существенным дополнением к традиционным гидрогеологическим и геохимическим методам исследований.

В сведи с этим основная задача книги заключается в том, чтобы показать значение подземного химического стока как самостоятельного экзогенного геологического процесса, осуществляющего перераспределение химических элементов в верхних частях земной коры, и изменение слагающего ее минерального вещества.

Количественное изучение миграции химических элементов в природных водах началось около 50 лет назад. Прежде были рассмотрены особенности миграции химических элементов в поверхностных водотоках и дана количественная ее оценка. Первым фундаментальным исследованием является классическая работа Ф. Кларка, который на основе имевшегося в то время фактического материала по химическому составу речных вод оценил величину химического стока и провел подсчет химической денудации для отдельных континентов и земного шара в целом.

Дальнейшее развитие и детализацию подобные исследования получили в работах Д.А. Ливингстона [46], P.M. Гаррелса и Ф.Т. Маккензи [5] и М. Мейбека [47]. Для территории СССР наиболее полная и подробная оценка стока растворенных веществ дана О.А. Алекиным и Л.В. Бражниковой [1], которые установили, что общая величина ионного стока с территории СССР составляет 384,1 млн. т, а среднее значение показателя ионного стока равно 18,7 т/км2 год.

Данные о речном химическом стоке использованы Н.М. Страховым [34] для решения вопроса о соотношении между химической и механической эрозией. Им показано, что в горноскладчатых областях химическая эрозия происходит интенсивнее, чем в платформенных, хотя в последних она может превышать механическую. Этот вывод Н.М. Страхова имеет большое значение для правильного понимания процессов мобилизации вещества и выветривания.

Сравнительно хорошо изучена миграция химических элементов в атмосферных осадках. Наибольший вклад в эту проблему внесли Е.С. Бурк-сер и Н.Е. Федорова, которые впервые определили количество солей, поступающее с атмосферными осадками на территорию СССР.

Оценка роли атмосферных осадков в перераспределении вещества между гидросферой, литосферой и атмосферой дана в работах В.П. Зверева и В.З. Рубейкина. Ими же уточнено количество растворенных веществ, поступающих с. атмосферными осадками на территорию СССР.

Изучение перераспределения вещества подземными водами началось несколько позднее. Ф.П. Саваренский [31] выдвинул проблему изучения подземного химического стока и химической денудации как одну из важнейших в комплексе гидрогеологических исследований земной коры. Онтакже вычислил химический модуль стока для бассейна верхней Волги и дал оценку химической денудации этого района.
Большой вклад в постановку исследований подземного химического стока внес Ф. А. Макаренко, который дал количественную оценку его интенсивности для районов Сочи — Мацеста и бассейна Дона. В последней работе впервые сделана попытка картирования подземного химического стока.
Роль разгрузки артезианских вод в ионном и меженном стоках рассмотрена в работах А.И. Короткова. Большое значение изучения подземного химического стока отметил также Б.И. Куделин [28].Детальное изучение подземного химического стока на территории СССР было начато в 1966 г. в Геологическом институте АН СССР. В результате этих исследований впервые дана количественная оценка подземного химического стока на территории СССР и проведено его картирование [24], позволившее показать пространственные закономерности изменения его модуля и связь величины подземного химического стока с геолого-структурными и другими природными факторами. Картирование подземного химического стока дало также возможность оценить интенсивность подземной химической денудации на территории СССР [23]. Начато изучение роли подземного химического стока в развитии процессов литогенеза [8].
Исследование подземного химического стока для ряда районов, находящихся в различных физико-географических, геологоструктурных и-гид-рогеологических условиях (бассейны рек Чусовой, Тобола и Алдано-Тимптонского междуречья) проводились М.А. Всеволожской [3], которая также рашила ряд методических вопросов оценки подземного химического стока и его картирования.
Эти исследования способствовали выходу в последние годы большого числа работ, посвященных изучению подземного химического стока в различных регионах. Подземный химический сток Прибалтийского артезианского бассейна изучался И.С. Зекцером [10], Закавказья — В.П. Зверевым и Ф.Д. Ханларовым [26], северо-западной части Сибирской платформы - Г.Д. Гинсбургом и Г.А. Ивановой [26], Каракумов - А.В. Ивановым [26], в карстовых районах — В.П. Зверевым и В.А. Зверевой [26], Украины - В.И. Пелешенко, юга Восточной Сибири — А.А. Дзюбой и Ю.И. Кустовым, Исландии — В.И. Кононовым [16]. Приближенная оценка подземного химического стока с континентов выполнена С.Л. Шварце-вым [38].
Исследования подземного химического стока непосредственно в крупные акватории были начаты С.А. Брусиловским, который оценил вынос с подземным стоком железа в Каспийское море, а в дальнейшем изучил ионный подземный сток из среднемиоценовых отложений в Южном Дагестане. Общий подземный химический сток в Каспийское море опредеен И.С. Зекцером, А.В. Месхетели и Н.Ф. Глазовским. Они показали, что водный подземный сток в это море составляет менее 1 %, а химический - около 20 %. Подземный химический сток в Балтийское море с территории СССР оценен И.С. Зекцером и И.Л. Дзилной [26], в Черное море с территории Адлерской низменности - А.Н. Павловым [26]. Итоги изучения подземного химического стока в моря и океаны подведены в 1977 г. Р.Г. Джамаловым, И.С. Зекцером и А.В. Месхетели.
Приведенный перечень показывает, что в последние годы резко возросло число работ, посвященных изучению подземного химического стока.
Необходимо отметить приоритет советских ученых в изучении подземного химического стока. Даже в широко известной монографии Р.М. Гар-релса и Ф.Д. Маккензи [5] при рассмотрении процессовхимического выветривания и мобилизации вещества внимание авторов уделено лишь суммарному химическому речному стоку.
Книга представляет собой обобщение многолетних исследований автора в области подземного химического стока.
В работе автор пользовался советами чл.-корр. АН СССР П.П.Тимофеева и профессоров А.В. Щербакова и Ф.А. Макаренко. Ценные замечания в процессе работы были получены от В.А. Грабовникова, В.И. Кононова и Б.Г. Поляка. Постоянную помощь в работе по подготовке рукописи к печати оказывала В.А. Зверева. Всем этим лицам автор выражает искреннюю благодарность.