Вода в гидросфере находится в постоянном движении, ко­торое обеспечивает постоянный водообмен как внутри водоносных систем, так и между ними, как внутри частей гидросферы, так и в целом в ее пределах между внешними границами.

5. Гидросфера обеспечивает самый высокий коэффициент полезного действия планетарных тепловых систем, являясь, таким образом, главным регулятором аккумуляции и переноса тепла на нашей планете.

6. Гидросфера участвует в создании различных типов при­родных и техногенных систем, обеспечивает их функционирование и взаимосвязь между собой. Вода является наиболее активным ком­понентом этих систем, и ей принадлежит главная организующая роль в процессах, которые в них происходят.

Теперь можно дать более полное определение гидросферы по сравнению с тем, что было дано ранее. Гидросфера - это геоло­гическая система, объединяющая все известные нам формы природ­ных вод (физические, химические, биологические). Воды формиру­ют квазизамкнутые группы по принципу коллективной структуриза­ции, которая обеспечивает наиболее эффективный массо- и теплопе- ренос из глубин Земли к ее внешней границе.

3. Физические поля земли, гидрогеологические закономерности и законы гидрогеологии

При изучении подземной гидросферы - объекта гидрогеоло­гических исследований - нельзя пренебречь ролью геофизических полей, которые существенно влияют на состояние и движение под­земной гидросферы. Необходимо также усвоить, насколько важно знание гидрогеологических закономерностей для понимания кон­кретных гидрогеологических процессов и явлений. Это позволит подойти к наиболее высоким ступенькам гидрогеологического по­знания - гидрогеологическим законам.

Геофизические поля Земли. В учебнике [14] этому вопросу была посвящена отдельная глава, поскольку именно изучение гео­физических полей позволяет установить основные гидрогеологиче­ские закономерности.

Гравитационное поле. Атмосферные осадки, просачиваясь в горные породы, дают начало инфильтрационным водам, которые движутся вглубь под действием силы тяжести. На первых порах

движением воды будет управлять гидростатическое давление, пред­ставляющее собой давление столба воды над точкой движения пото­ка. Полная энергия движущегося подземного потока характеризует­ся динамическим напором (рис. 16):

Hj = h_p + Z + U²l(2g),

где Hj - гидродинамический напор; h_p - пьезометрическая высота (высота давления); Z - высота точки измерения относительно плос­кости сравнения (геометрическая высота); U - скорость движения жидкости; g - ускорение свободного падения.

давление. Кроме того, на формировании пластового давления могут сказываться тектонический режим, сейсмические толчки, замерзание и оттаивание пород, накопление газа, магматические и многие другие процессы. В результате пластовое давление может стать больше гид­ростатического и даже геостатического и тогда возникнут так назы­ваемые сверхвысокие пластовые давления. В некоторых случаях пла­стовое давление может оказаться ниже гидростатического. Такие ус­ловия возникают на участках поглощения подземных вод, всасываю­щего эффекта в условиях глубоких тектонических нарушений и др. Пластовое давление в подобной обстановке называется сверхнизким.

Г.С. Вартанян и Г.В. Куликов предложили ввести понятие о гидрогеодеформационном поле Земли [5]. Это ноле формируется в результате пульсационного перераспределения флюидов в лито­сфере под действием сейсмических и техногенных процессов и проявляется в виде гидродинамических и физико-химических ано­малий, которые возникают в областях скоротечных (сутки, месяцы) деформационных процессов (сжатия или растяжения пород) и за­тем исчезают. Эти аномалии могут быть зафиксированы по изме­нению уровня, дебита, температуры подземных вод, их химическо­го, газового и изотопного состава. Указанные данные могут ис­пользоваться для прогнозирования места и, возможно, времени проявления землетрясений.

Тепловое поле. Между количеством тепла, которое наша пла­нета получает за счет солнечной радиации и которое она отдает из недр посредством формирующихся в них эндогенных тепловых потоков, существует примерное равновесие. В зависимости от продолжи­тельности и глубины проникновения радиогенного тепла выделяют несколько типов гелиотермозон: суточных колебаний температуры (до глубины 0,8-1 м), сезонных (в среднем до 8-10 м) и г одовых (в среднем до 15-20 м - подошвы нейтрального слоя). Температура нейтрального слоя зависит в основном от физико-географических условий. Так, она изменяется от -13 °С в тундре п-ова Таймыр до +20 °С в пустынях Средней Азии. Чем продолжительнее цикл на­блюдений, тем больше глубина подошвы гелиотермозоны. Напри­мер, для одиннадцатилетнего цикла наблюдений она составляет 80 м, тридцатипятилетнего - 125 м, восьмидесятилетнего - 250 м.

Глубина проникновения температурной волны эпох межледнико- вья (10 тыс. и 75 тыс. лет тому назад) оценивается соответственно в 1,3 и 10 км. Наиболее ярким доказательством влияния радиацион­ного баланса на современную подземную гидросферу является обра­зование многолетней мерзлоты* в четвертичном периоде (рис. 17). Условные обозначения на рис. 17: 1 - область редкоостровного, островного и массивно-островного распространения (среднегодо­вые температуры от -1 до 3 °С, мощность мерзлой толщи 0-100 м);

2. 5 - область сплошного распространения мерзлых пород: от -1 до - 3 °С, 50-300 м (2); от -3 до -5 °С, 100-400 м (3); от -5 до -9 °С, 200-600 м (4); ниже -9 °С, 400-900 м и более (5); 6 - границы об­ластей ММП; 7 - южная граница криолитозоны.

В нашей стране криолитозоны захватывают территорию 11,1 млн км². Мощность ее изменяется от нескольких метров до 1,2-1,5 км. В разрезе криолитозон выделяются сверху вниз две зоны:

1. деятельный слой - слой максимального зимнего промер­зания и летнего оттаивания; в зависимости от географических усло­вий района и теплофизических свойств пород мощность деятельного слоя изменяется от нескольких сантиметров до 3-5 м;

зона многолетнемерзлых пород, или криолитозона, где поро­ды сохраняются в мерзлом состоянии от нескольких лет до 500 тыс.лет и более; она может содержать пустоты, трещины, талики с подземными водами, иногда имеющими отрицательную температуру. Такие воды обладают повышенной минерализацией и называются криопегами.

Тепловые процессы, инициированные извне и связанные с климатическими явлениями, как и просачивание атмосферных осадков, выветривание горных пород и многое другое, оказывают сильное воздействие на режим, динамику и химию подземных вод на глубину в десятки, сотни метров и даже нескольких километ­ров. Изучение этих особенностей позволило выделить климатиче­скую зональность грунтовых и более глубоко залегающих артези­анских вод.

Под влиянием эндогенных тепловых потоков температура недр, как и находящихся в них подземных вод, с глубиной увеличивается. Эндогенный тепловой режим определяется, прежде всего, тектониче­ской активностью территорий. Слабая тепловая активность и относи­тельно низкие температуры характерны для древних складчатых облас­тей докембрия и палеозоя. При коровом разогреве и привносе мантий­ного вещества в районах современного вулканизма и тектономагмати- ческой активизации, в рифтовых зонах наблюдаются мощные тепловые потоки и месторождения высокотемпературных вод.

Магнитное поле. Геомагнитное поле Земли не постоянно, оно меняется во времени и пространстве в зависимости от процес­сов, происходящих в недрах. Помимо внутриземных колебаний, магнитное поле получает инъекцию извне, при воздействии сол­нечного ультрафиолетового излучения, которое вызывает иониза­цию атмосферы. Изменение солнечной активности приводит к по­явлению так называемых магнитных бурь. В среднем они возника­ют около десяти раз в году, их воздействие на живые организмы хорошо известно, а вот влияние магнитного поля на подземную гидросферу изучено пока недостаточно. Экспериментально уста­новлено, что магнитная обработка воды изменяет некоторые ее свойства. В частности, ускоряется коагуляция, усиливается ад­сорбция и растворение твердых тел, изменяется концентрация рас­творенных газов, при упаривании раствора соли образуются не только на стенках сосуда, но и в объеме образца. Интересно, что после магнитной обработки растворов может меняться природа кристаллов, которые в них образуются: вместо кальцита, например, появляется арагонит. Зафиксировано изменение плотности и вязко­сти растворов кислот при их магнитной обработке. Из сказанного следует, что хотя воздействие магнитного поля на подземную гид­росферу неоспоримо, но характер его влияния на гидрогеологиче­ские закономерности установить пока не удалось.

Электрическое поле. Естественные электрические поля имеют различную природу, масштаб и характер проявления. Основ­ными среди них являются поля природных электронных проводни­ков, фильтрационные, диффузионно-адсорбционные, теллурических токов и грозовых разрядов. Исследования на акваториях позволили

также установить наличие седиментационных, литодинамических, магнитогидродинамических и биогенных полей. Рассмотрим влия­ние электрических полей на гидрогеохимическую ситуацию.

1. Окислительно-восстановительный потенциал

Рудное тело представляет собой своеобразный гальвани­ческий элемент. Возникает электрическое поле, в котором нижняя часть тела ведет себя как катод, а верхняя - как анод. Возникнове­нию электрических токов способствует электрохимическое раство­рение сульфидов. В раствор переходят те сульфиды, которые вы­полняют роль анода. При нахождении в рудной залежи пирита (FeS₂), халькопирита (CuFeS₂), галенита (PbS) и сфалерита (ZnS) в раствор переходят свинец и цинк, в то время как пирит и халькопи­рит выполняют роль катода и потому не растворяются.

Формирование фильтрационных полей связано с электро- кинетическими процессами, возникающими при струйчатом движе­нии подземных вод и переносе ими химических компонентов. Дви­жение растворов электролитов в пустотном пространстве горных пород приводит к образованию электрического поля и способствует усилению процессов массопереноса.

Диффузионно-адсорбционные поля образуются на гра­нице растворов с разной концентрацией ионов. Движение послед­них направлено в сторону меньшей концентрации солей. Диффу­зия ионов способствует возникновению электрического поля. Диффузионный и адсорбционный потенциалы обычно не велики (от нескольких милливольт до нескольких десятков милливольт). Наибольшей адсорбционной способностью характеризуются гли­нистые породы.

Среди полей, обусловленных внешними источниками, вы­деляют поля теллурических токов, возникающих под действием магнитного поля Земли и изменяющейся активности Солнца, поля, инициируемые грозовыми разрядами, и поля, связанные с утечкой промышленных токов.

Таким образом, воздействие естественных электрических полей, как и полей техногенного происхождения, весьма разнооб­разно и проявляется, прежде всего, в усилении растворения водо­вмещающих пород и активизации процессов массотеплопереноса с помощью подземных вод.

Радиоактивное поле. Изучение радиоактивного распада ве­дется в нескольких направлениях: во-первых, как источника тепло­вой энергии внутреннего теплового поля Земли и, во-вторых, как поля естественного радиоактивного излучения. Изучение последне­го позволяет установить:

• стратификацию разреза и возраст пород и воды;

расположение и степень открытости тектонических зон;

генезис подземных вод;

условия формирования ореолов потоков рассеяния радио­активных веществ в связи с поисками месторождений урана и дру­гих радиоактивных элементов;

возможность использования радиоактивных вод для лечеб­ных целей;