2. Место и роль подземных вод в гидросфере Земли

2.1. Общие сведения о гидросфере Земли

Гидросфера – сплошная оболочка Земли, содержащая воду во всех агрегатных состояниях в пределах Мирового океана, криосферы (оболочка Земли, характеризующаяся содержанием воды в твердой фазе), литосферы и атмосферы и принимающая непосредственное участие в планетарном круговороте влаги (гидрологическом цикле). Иерархическая классификация гидросферы приведена на рисунке 1.

Рис. 1. Иерархическая классификация вод гидросферы

Мировой океан делится на Атлантический (АО), Индийский (ИО), Тихий (ТО) и Северный Ледовитый (СЛО). В свою очередь каждый из них разделяется на океанские бассейны (ОБ), моря (М), заливы (З) и проливы (Пр.). Криосфера состоит из покровных ледников (ПЛ), горных ледников (ГЛ), морских льдов (МЛ), сезонного снежного покрова (ССП) и льдов многолетнемерзлых пород (МП). Воды литосферы делятся на поверхностные (Пов.) и подземные (Под.), при этом поверхностные воды разделяются на озера и водохранилища (ОВ), болота (Б) и реки (речной сток, РС). Наконец атмосфера состоит из водяного пара (ВП) и облачности (Об.).

Верхняя граница гидросферы является одновременно нижней границей атмосферы, а нижняя граница гидросферы совпадает с границей земной коры и мантии. Включение, таким образом, в гидросферу планеты в целом земной коры, а также наличие воды в виде молекул Н₂О в составе атмосферы планеты, живом веществе и, вероятно, в мантии делают существующие представления об объеме и границах гидросферы в значительной степени неопределенными. Существуют точки зрения о необходимости выделения в состав гидросферы планеты только собственно поверхностных вод (Мировой океан и воды суши: реки, озера, болота); распространение верхней границы гидросферы в атмосферу планеты до высот, на которых по современным представлениям еще содержится вода в виде молекул Н₂О (до 16–18 км выше поверхности земли); выделение самостоятельно наземной и подземной гидросфер Земли и др.

Существование таких различных точек зрения в какой-то мере оправданно, поскольку неопределенность представлений о границах гидросферы планеты объективно определяется двумя основными фактами: наличием воды (в различных видах) практически во всех оболочках Земли (мантия, земная кора, атмосфера, биосфера) и принципиальной возможностью постоянного обмена водой (водообмен) между смежными оболочками Земли. На этих фактах основано принципиальное научное положение о единстве природных вод Земли, сформулированное еще В.И. Вернадским. В соответствии с этим положением гидросфера планеты должна рассматриваться как единая динамическая система, открытая в сторону космоса и внутренних областей Земли (мантия, ядро). Гидросфера играла и играет основополагающую роль в геологической истории Земли в формировании физической, химической, геологической среды, климата, в возникновении жизни на Земле и ее развитии (Клиге, Данилов, Конищев, 1998).

Основными внутренними процессами гидросферы являются круговороты воды и водообмен, происходящие на различных ее уровнях и в различных масштабах.

Распределение суши и воды на земном шаре. Площадь поверхности Земли 510 млн км². Из этой площади водами Мирового океана покрыто 361 млн км² (71 %), а площадь суши составляет 149 млн км². В Северном полушарии соотношение воды и суши 61:39, в Южном – 81:19. Таким образом, более ⅔ поверхности нашей планеты покрыто водной оболочкой, состоящей из океанов и морей; причем особенно существенно вода преобладает над сушей в Южном полушарии.

Общая площадь водных объектов на поверхности суши (ледников, озер, водохранилищ, рек, болот) составляет 21,5 млн км², или 14,4% площади суши. Если не учитывать ледники, то на остальные водные объекты суши останется всего 5,2 млн км² (3,5 % площади суши).

Таким образом, общая площадь водных объектов на поверхности Земли составляет: 361 млн км² (океаны и моря) + 21,5 млн км² (водные объекты суши, включая ледники) = 382,5 млн км², т. е. 75 % или ¾ поверхности планеты.

Общий объем воды в водных объектах на земном шаре около 1 390 млн км³, при этом на долю Мирового океана приходится 96,4% (табл. 1). Из водных объектов суши наибольшее количество воды содержат ледники – 25,8 млн км³ (1,86 % всех вод на Земле). Из этого количества воды на долю ледников Антарктиды, Гренландии и островов Арктики приходится соответственно 89,8; 9,7 и 0,3 %. На горные ледники остается всего 0,2 %.

Большие сложности представляет оценка содержания воды в земной коре (литосфере). Часть подземных вод, представленная капиллярными и гравитационными водами, находящаяся на глубинах с абсолютными отметками под поверхностью суши до минус 2000 м и участвующая в круговороте воды в природе, должна быть отнесена к гидросфере. Она оценивается гидрологами в 23,4 млн км³, или 1,68 % общего объема вод на Земле (см. табл. 1) Некоторые исследователи приводят несколько большие величины: М. И. Львович – 60 млн км³, А. Ф. Макаренко – 86,4 млн км³. К водам, находящимся в литосфере, относят также подземные льды зоны многолетней («вечной») мерзлоты объемом 300 тыс. км³ (0,022 % объема всех вод) (табл. 1).

Некоторый объем воды находится в живых организмах биосферы (растениях и животных). Считают, что масса живого вещества на Земле 1,4 • 10¹² т. Если принять, что содержание воды в живых организмах в среднем 80 %, то получим массу воды в организмах, равную 1,12 • 10¹² т, что и дает объем «биологической воды» немногим более 1 тыс. км³.

В атмосфере в среднем постоянно присутствует около 13 тыс. км³ влаги в виде водяного пара, капель воды, кристалликов льда. При этом 90 % воды находится в самом нижнем слое атмосферы – на высотах 0–5 км. Объем атмосферной влаги мог бы дать слой воды на поверхности Земли, равный всего 25 мм.

Важное значение имеет оценка количества на Земле пресной воды – наиболее ценных для человека природных ресурсов. Всего на планете 36,7 млн км³ пресных вод (2,65 % общего объема вод) (см. табл. 1). Главные аккумуляторы пресной воды – ледники, пресные подземные воды, подземные льды в зоне многолетней мерзлоты, пресные озера. Из общего количества пресных вод на Земле на твердую фазу (лед) приходится 71 %, на жидкую фазу – 29 %.

Таблица 1

Объем воды различных частей гидросферы

Части гидросферы	Объем
	тыс. км3	% от общего объема	% от объема пресных вод
Мировой океан	1 338 000	96,4	–
Ледники и постоянный снежный покров	25 780	1,86	70,2
Подземные воды в том числе пресные Подземные льды зоны многолетнемерзлых пород	23 400 10 530 300	1,68 0,76 0,022	- 28,7 0,82
Озера в том числе пресные	176 91	0,013 0,007	- 0,25
Воды атмосферы	13	0,001	0,04
Болота	11	0,0008	0,03
Водохранилища	6	0,0004	0,016
Реки	2	0,0002	0,005
Вода в организмах	1	0,0001	0,003

Происхождение воды. Гидросфера Земли – одна из древнейших оболочек нашей планеты, которая, вероятно, возникла около 4,0 – 3,5 млрд. лет назад. Она развивалась вместе и в тесном взаимодействии с литосферой, атмосферой, а затем и с живой природой.

Основная масса гидросферы сформировалась в результате процессов выплавления и дегазации вещества мантии Земли и определялась глубинными геофизическими процессами. Дегазация является следствием мощного механизма химико-плотностной гравитационной дифференциации вещества мантии на границе с ядром, приводившего к возникновению в мантии конвективной циркуляции. Тугоплавкие компоненты остались в мантии, легкоплавкие в виде базальта образовали земную кору, а летучие, в их числе водяной пар, поднялись на поверхность. По мере охлаждения земной поверхности из водяного пара формировалась водная оболочка – гидросфера. Примерно 4,0 млрд. лет назад первичная гидросфера тонким слоем покрывала всю Землю и воды ее были минерализованы. В мезо-кайнозое в связи с образованием материков и крупных океанических впадин гидросфера приобрела очертания близкие к современным. В настоящее время происходит выделение воды из мантии со скоростью 1 км³ в год (ювенильная вода, от лат. juvenilis, юный, первичный), в связи с этим предполагают увеличение объема водной массы океана на 6 – 7 % в течение ближайшего миллиарда лет. Гидросфера теряет воду вследствие улетучивания водорода в космос, изъятия воды организмами и реакции фотосинтеза.