Глава 16. Эколого-гидрогеохимические исследования.

Ландшафтно-геохимические исследования. Основоположником геохимических исследований в ландшафтоведении является Б.Б. Полынов. В его работах в 30-60 годах прошлого века были сформулированы основные определения и понятия. Методы для изучения процессов были использованы в мелиоративной гидрогеологии, почвоведении, географии. Следующий значительный шаг был сделан А.И. Перельманом (в 60-80 гг.)[48]. Он показал возможности использования геохимии ландшафта в поисковых целях, описал особенности водной миграции химических элементов в разных ландшафтных зонах, предложил методы оценки геохимических аномалий их барьеров.

В начале 80-х годов началось широкое использование ландшафтных методов в геологических целях и картографировании (М.А. Глазовская и др.)[11].

Рассмотрим некоторые важные понятия:

Ландшафт– это географическая оболочка Земли, образовавшаяся в результате взаимодействия атмосферы, литосферы, гидросферы и биосферы. В зависимости от роли в своем формировании ландшафты по происхождению могут быть природными, природно-техногенными и техногенными.

Границы ландшафта. Верхняя граница ландшафта находится в нижних слоях приземной зоны атмосферы, где образуются атмогеохимические ореолы рассеяния, приносящие аэрозольное загрязнение. Нижняя граница ландшафта не имеет четкого положения. Она может проводиться по подошве грунтовых вод, основного верхнего регионального водоупора, низам зоны свободного водообмена.

Вертикальное строение ландшафта.В вертикальном разрезе ландшафта выделяется несколько ярусов (зон), имеющих разное функционально-генетическое значение. Сверху вниз – это приземной слой атмосферы, растительный покров, почвенный слой, зона аэрации, зона грунтовых вод, водоупорный слой, межпластовый водоносный горизонт.

Типы ландшафтов.Б.Б. Полынов по характеру и циклам выветривания выделил три типа ландшафта: орто-, пара-и неоэлювиальный.

Ортоэлювиальный ландшафт относится к первичным. Он формируется на кристаллических породах – изверженных и метаморфических. Параэлювиальный ландшафт – вторичный. Он образуется на осадочных породах морского генезиса и древних континентальных формациях. Неоэлювиальный ландшафт – самый молодой по времени образования. Его базис – современные осадочные отложения. Указанные виды ландшафта имеют определенные циклы развития или фазы гипергенеза, которые развиваются на фоне стадий диа-, ката-и метагенеза рельефообразующих пород. Направленность преобразования ландшафта связана с разрушительными процессами (денудационная эрозия, абразия и др.) и аккумуляцией (образование террас и др.).

По условиям миграции веществ Б.Б. Полынов выделил еще три типа ландшафта: элювиальный, супераквальный (надводный) и субаквальный (подводный).

Ландшафтно-геохимический комплекс– элемент рельефа однородный по возрасту и фациальному составу. Элементарный ландшафт–самое малое звено в цепи биогеоценозов.

Ландшафтно-геохимический каскад– непрерывный ряд переходов элементарных ландшафтов от водоразделов в долине в пределах одного речного бассейна.

Ландшафтно-геохимический барьер– резкая смена геохимической обстановки (направленности процессов) в пределах одного водосбора.

Геохимическая структура ландшафта определяет направленность движения миграционных потоков веществ: в пространственном распределении зон выщелачивания и обогащения, ореолов рассеяния и концентрирования вещества.

Фазы ландшафтно-геохимических преобразований: 1) мобилизация – переход менее подвижных элементов в более подвижное состояние; 2) транслокализация. Эта фаза характеризуется перемещением химических элементов в миграционных потоках; 3) аккумуляция. В ней химические элементы переходят из более подвижных в менее подвижные формы, в конце концов –в твердое состояние.

Указанные фазы пространственно неразобщены и могут встречаться одновременно в одном элементарном ландшафте.

Главные факторы ландшафтно-геохимических преобразований – вода и живое вещество.

Процессы формирования ландшафтно-геохимической обстановки. Формирование одного ландшафта обуславливается в основном воздействием трех факторов – водного, воздушного и тектонического. Воздушный фактор – один из активнейших природных процессов, осуществляющий выветривание пород, перенос и аккумуляцию веществ, передачу тепла и энергии в верхние слои литосферы. Природные воды, поверхностные и подземные, обладают примерно такими же функциями, но их воздействие на формирование типов и формы ландшафта является более глубоким и разнообразным. Тектонический фактор представляет собой один из наиболее важных рельефообразующих агентов.

Специфический ландшафт формируется в условиях техногенного воздействия на природную обстановку. Такой тип ландшафта должен быть отнесен в особую группу.

Геохимические процессы преобразования ландшафта связаны с круговоротами и циклами перемещения вещества и энергии. К наиболее важным среди этих процессов относятся:

1. Привнос веществ с атмосферными осадками, механическое, физическое воздействие атмосферных явлений на земную поверхность (эоловые процессы, дефляция, выветривание, солифлюкция).

2. Гидрогеохимические процессы, происходящие на земной поверхности и в зоне гипергенеза:

• суффозия – выщелачивание пород (карстообразование, абразия, выветривание и др.);

• криогенные процессы (промерзание, оттаивание, образование наледей, таликов, термокарст и др.);

• континентальное соленакопление (образование солонцов, накопление солей – галогенез, сульфатогенез, сульфидогенез);

• окислительно-восстановительные процессы (миграция железа, марганца и др. элементов).

• накопление и преобразование органического вещества (почва, торф, углеобразование, гумификация, битумизация и др.).

Ландшафтно-геохимическое районирование. Принципы ландшафтно-геохимического районирования имеют много общего с таковым в региональной гидрогеохимии. В обоих случаях учитываются: объекты, цели, масштаб, время и методы.

Объектом районирования могут быть как природные, так и техногенные ландшафты. Типизация природных ландшафтов может проводиться по генетическим признакам, по геоморфолого-ботаническим особенностям районов тундры, тайги, лесостепей, степей, лесов, полупустынь, пустынь, гор и др. Техногенные ландшафты подразделяются на различные типы в зависимости от вида антропогенной нагрузки. Примером интенсивности ландшафтов могут служить районы городских агломераций, территории разработки полезных ископаемых, сельскохозяйственной и различных видов промышленной деятельности. Минимальной площадью, в которой выделяется самостоятельный ландшафт, является элементарный ландшафт. Его территория – это водосборные бассейны второго-третьего порядков. Границы ландшафтов – элементарных, их систем и групп, проводятся по водоразделам бассейнов стока того или иного порядка.

Типы районирования могут рассматриваться как общие, так и специальные. При общем районировании оцениваются условия формирования ландшафтов, их типизация по факторам, определяющим их особенности. При специальном районировании проводится решение каких-либо практических задач – поисковых, мелиоративных, строительных и др.

Масштаб районирования обусловлен, прежде всего, масштабом проведения картографирования, а также решаемыми при этом задачами. С учетом указанных позиций картографирование может быть обзорным, мелкомасштабным, среднемасштабным и крупномасштабным или детальным. Упомянутые градации соответствуют масштабам мельче 1:2500000, 1:1000000, 1:500000-1:200000, крупнее 1:50000. Обзорное и мелкомасштабное районирование используется для выявления общих закономерностей, а средне- и крупномасштабное районирование применяется для решения конкретных задач.

Фактор времени учитывается при изучении и решении прогнозных задач. Эпигнозные решения необходимы для оценки роли прошлых эпох в создании современного ландшафта. Прогностическое районирование используется для оценки влияния техногенных условий во времени. Для этого рассчитывается модуль техногенного воздействия, выделяются благоприятные - неблагоприятные участки.

Методика районирования гидрогеологии проявляется в одинаковости подходов изображения (схем районирования), описания (словесного), создания моделей (математических, компьютерных и др.)

Методы изучения геохимических особенностей ландшафтов.Основным методом изучения ландшафта является его картирование. Оно ведется в трех направлениях: 1) фиксирование элементов ландшафта и его пространственных закономерностей (характеристика структурного строения, поверхностей рельефа, вертикальных ярусов и зон); 2) выявление закономерностей распространения вещества и энергии во времени и пространстве; 3) изучение процессов тепломассопереноса (как природных, так и техногенных).

Картирование указанных признаков требует использования комплекса геолого-географических методов исследований (топографические, геоморфологические, почвенно-ботанические, гидрогеологические, геохимические, инженерно-геологические, геофизические и др.).

Особое внимание при этом уделяется изучению техногенной нагрузки, которая часто требует применения специальных методов и проведения режимных наблюдений.

Из других видов исследований следует также упомянуть проведение опытно-методических, опытно-фильтрационных, опытно-миграционных работ, детальное изучение ключевых участков и др.

На основании проведенных исследований составляются отчетные документы, проводится количественная оценка изучаемых процессов и намечаются природоохранные и др. мероприятия.

Весьма сложные вопросы возникают при интерпретации полученных материалов и составлении ландшафтно-геохимических карт. Эти вопросы изложены в специальной литературе (М.А. Глазовская и др.)[11].

Гидрогеохимические предвестники землетрясений. Один китайский ученый еще в древние века сказал, что вода – это самое мягкое и самое слабое существо в мире, но в преодолении твердого и крепкого она непоколебима и на свете нет ей равного. Целенаправлен­ное действие воды проявляется и в сейсмических процессах, хотя роль ее не главная, но важно, что по поведению воды можно судить о фазах подготовки землетрясения. Не всегда может быть получена однозначная информация, но есть надежда на дальнейшие совершенствования мето­дов изучения гидрогеологических предвестников землетрясений. Среди них большие перспективы на получение надежных данных возлагаются на гидрогеохимическую информацию, широко используются также и другие методы изучения явлений, предшествующих землетрясениям, – геофизические, метеорологические, деформационные, биологические, эманационные и др. Каждый из них имеет свой диапазон возможностей, не перекрывает и не дублирует гидрогеохимический метод. Учитывая катастрофический характер землетрясений, влекущих человеческие жерт­вы, а также наносящих огромный материальный ущерб, разработка системы предупреждения населения о предстоящей стихийной угрозе – одна из актуальнейших задач современной науки. Гидрогеохимии, как будет видно из дальнейшего изложения, предстоит решить весьма сложные проблемы.

При разрушении горных пород большое значение имеют степень насыщенности пород водой, ее давление и соотношение этого давления с геостатическим. Разработаны две основные модели возникновения землетрясений: дилатантная и лавинонеустойчивого трещинообразования.

Дилатансия, т.е. расширение пород при их сдвиговой деформации, сопровождается высокоэнергетическими процессами, которые вызывают изменение порового пространства и гидростатического давления, фазовые переходы воды. В водоносных горизонтах пластового типа при дилатансии происходят образование многочисленных микротрещин, увеличение проницаемости пород и соответственно падение пластового давления и снижение уровня подземных вод. В то же время в водоносных горизонтах вблизи зоны дилатансии поровое пространство уменьшается, пластовое давление увеличивается, уровни подземных вод растут. Образующаяся при этом система вертикальных трещин способствует возникновению гидравлической связи между водоносными горизонтами, подъему с глубины разнообразных флюидов и изменению гидрогеохимического режима горизонтов.

Дилатантная теория имеет свои слабые места. Она не все объясняет, не учитывает многообразие структурно-геологических условий, но дает общее понимание гидрогеологических событий, предшествующих землетрясению.

По теории лавинно неустойчивого трещинообразования выделяют три стадии подготовки землетрясения: 1) разнонаправленное и медленное растрескивание горных пород; 2) лавинообразное и быстрое нарастание трещинообразования, происходящее после достижения им некоторой критической величины; 3) дальнейшее усиление деформаций, завершающееся образованием в локальной зоне крупных дислокаций.

Недостатком этой теории является то, что она не учитывает участия воды в процессах трещинообразования, не делает различия между этими процессами в «сухих» или насыщенных водой породах. Вполне очевидно, что такое различие существует, и оно проявляется как в скорости, так и в масштабах трещинообразования. Вместе с тем, рассматриваемая модель также может быть использована для объяснения процессов, предшествующих землетрясениям. Наиболее важно выявить вторую стадию, когда лопаются перемычки между водоносными системами, происходит глубокое раскрытие гидрогеологических структур и возникают условия для восходящего движения флюидов из недр.

Тектонические землетрясения, возникающие при разгрузке накапливающихся механических напряжений, составляют до 95% этих явлений. Вместе с тем, природа землетрясений может быть и другой. Возможны вулканические землетрясения, возникающие при взрывах газов, гидравлических ударах во время извержения вулканов и – денудационные, спровоцированные обвалами, оползнями, провалами. В последние годы все чаще происходят землетрясения, возникающие в результате человеческой деятельности. К такого рода явлениям относятся землетрясения, обусловленные образованием крупных водохранилищ, мощными закачками и откачками воды, эксплуатацией месторождений нефти и газа, проходкой выработок с обрушением кровли, выщелачиванием соляных пластов и др.

Все сказанное свидетельствует о том, что вода активно участвует в подготовке землетрясений. Характер, контрастность и масштабы землетрясений зависят от гидрогеологических условий, глубины расположения очага землетрясения и его интенсивности.

Гидрогеологи постоянно занимаются исследованием теоретических и методических вопросов, связанных с изучением предвестников землетрясений. Г.А. Мавлянов, А.Н. Султанходжаев и другие по материалам режимных наблюдений за подземными водами в районе Ташкента установили ход и последовательность проявления гидрогеологических предшественников землетрясений (1966), Г.С. Вартанян и Г.В. Куликов (1984) разработали теорию гидрогеодеформационного поля, возникающего в условиях активных деформационных процессов сжатия и растяжения пород.

Гидрогеологические предвестники землетрясений представляют собой систему гидродинамических (уровень воды, дебит источников и скважин, пластовое давление), гидрогеохимических (состав воды и газов) и температурных показателей. Их изучение обычно проводится комплексно.

Гидрогеохимическое изучение предвестников землетрясений. Специфика наблюдений за сейсмическими показателями геохимии подземных вод заключается прежде всего в том, что они различаются по времени проявления (могут быть длительными и краткосрочными), характеру проявления в зависимости от гидрогеологических условий, места и интенсивности землетрясения. Эти вопросы подробно изложены в работах [2, 27, 46]. Рассмотрим некоторые примеры и сделаем из этого общие выводы.

Перед Ташкентским землетрясением (26 апреля 1966 года) были установлены изменения содержания радона и фтора, отношения изотопов U²³⁴/U²³⁸. Очаг землетрясения находился непосредственно под городом. Режимные наблюдения проводились на термальных водах сеноманского водоносного горизонта, залегающего на глубинах 1,1-2,2 км. Образование депрессионной воронки в этом горизонте усилило разрушительный эффект от землетрясения. Воды горизонта самоизливают (избыточное давление 0,6-1,6 МПа), их температура 46-70 °С, по химическому составу они относятся к слабощелочным содового типа с высоким содержанием хлоридов, сульфатов, кремнезема и фтора. Их минерализация колеблется в пределах 0,5-1,3 г/л.

Процессы выделения газов при упругих деформациях объясняются тем, что в период сжатия происходит их выделение из пор и интенсивное растворение в воде. На этой стадии с глубины проникает не только радон, но и другие газы (гелий, углекислый газ, водород и др.), а также воды повышенной минерализации с высокими концентрациями фтора, хлора, бора, ртути, цинка, меди и других компонентов. Сдвиги изотопных равновесий, в частности U²³⁴/U²³⁸, вызываются теми же причинами. Во-первых, возможны фазовые переходы, поступление порций изотопов из твердой фазы в жидкую; во-вторых, деформация пород может сопровождаться высвобождением газово-жидких включений; в-третьих, возможны разнообразные физико-химические преобразования в системе вода ↔ порода, приводящие к фракционированию изотопов. Какой из указанных процессов является ведущим, сказать трудно, но изменения изотопного состава установлены не только для U²³⁴/U²³⁸, но также и для отношений: He³/He⁴, Ar⁴⁰/Ar³⁶, С¹³/С¹², О¹⁸/О¹⁶, H²/H¹ и др.

Наблюдения в периоды, предшествующие землетрясениям, в других сейсмически активных районах показали следующие результаты. В районе Курильских островов установлены изменения концентрации ,,,С0₂. В Дагестане отмечены колебания содержания , Не, СО₂, а также и НВ0₂. На Японских островах чаще всего фиксируются колебания концентраций Rn, Не, Ar, N₂, СО₂, СН₄. В Киргизии эти изменения проявились у Не, Ra, Rn, U, в Узбекистане – у СО₂, Н₂, О₂, N₂, Не, Ag⁺, Rn, Ra, U, ,,B, Hg²⁺, pH.

По мнению Л.С. Балашова и др. [2], редкие щелочные металлы (рубидий, цезий, литий) в подземных водах хлоридного состава обнаруживаются в повышенных количествах в сейсмически активных зонах. Поэтому предлагается использовать небольшие значения отношений Na/K, Na/Li, K/Cs, Rb/Cs в качестве предвестников землетрясений, поскольку, по их мнению, перед сейсмическими подвижками происходит накопление в водах К и Li по отношению к Na, a Cs по отношению к К и Rb.

Из сказанного видно, что наиболее активно реагируют на сейсмические толчки компоненты газовой фазы и, прежде всего, гелий и радон. По данным В.А. Игумнова и Р.Г. Геворкяна, проводивших наблюдения на Малом Кавказе, содержание гелия перед землетрясениями падает, причем время и величина падения зависят от того, какова сила землетрясения и как далеко расположен его эпицентр от точки наблюдения. Так, на близкое (до 50 км) и относительно слабое (энергетический класс 8 и более) землетрясение подготовка занимает 1-3 дня. В то же время на сильное (энергетический класс более 1) и удаленное до 100 км землетрясение она растягивается на 5-10 дней. Важно отметить, что в трещинно-жильных водах зон тектонических нарушений гелий реагирует более резко и краткосрочно, чем в трещинно-пластовых водах, в которых гелий проявляется слабее и с запаздыванием. Синхронность пульсаций гелия в трещинно-жильных водах с сейсмическими толчками подтверждается высокими коэффициентами корреляции между ними, равными 0,72-0,84.

Изменение концентрации гелия в водоносных горизонтах пластового типа захватывает большие площади. Так, перед Ташкентским землетрясением (1963-1965 гг.) в разных точках опробования сеноманского водоносного горизонта концентрация гелия составляла 0,014-0,038 %. Непосредственно перед и в момент землетрясения она возросла до 0,024-0,276 %, т.е. увеличилась в 1,6-12,5 раза.

В.Л. Барсуков и другие исследователи проводили наблюдения за предвестниками землетрясений на Яврозском полигоне в Таджикистане. Это месторождение термальных вод, приуроченное к зонам тектонических нарушений в гранитном массиве. Температура вод – 32-35 °С, минерализация – 1,3 г/л, состав вод – хлоридный натриевый. За год в этом районе отмечалось более 100 толчков с энергетическим классом более 5. Пульсация гелия начиналась за 40-50 дней до толчка (рис. 12). На основании статистической обработки данных по связи концентраций гелия с сейсмическими толчками предложены соответствующие зависимости.

Во многих регионах отмечена реакция радона на подготовку землетрясений. В.А. Зубков считает, что радон может быть как долгосрочным, так и краткосрочным предвестником землетрясений. Он дал соответствующие формулы для определения времени проявления землетрясений по появлению аномальных концентраций радона в водах.

Перед Ташкентским землетрясением, о котором уже шла речь, концентрация радона увеличивалась постепенно в течение нескольких лет. За 5-6 дней она резко возросла до (6,6-7,4) · 10⁴ при фоне 1,65 · 10³ Бк/м³ . Затем быстро вернулась к исходному значению (рис. 13).

По данным В.М. Мавашева, в Ташкентском артезианском бассейне перед 7-8-балльным землетрясением концентрация радона увеличилась в 1,8-2,5 раза, перед 5-балльным – на 20-25%. Максимальное содержание радона наблюдается за 4-5 дней до землетрясения, а в день землетрясения оно резко падает.

Сделаем некоторые обобщения.

1) О надежности предсказания по гидрогеохимическим показателям. Имеющиеся данные не позволяют сделать более или менее точный прогноз, поскольку в большинстве случаев они устанавливаются опытным путем, на основании многолетних наблюдений и статистической обработки материалов. Лучше всего с возникновением очагов землетрясений коррелируются показатели газовой фазы (прежде всего гелий и радон), несколько хуже – изотопные соотношения различных компонентов газового и солевого состава и показатели радиоактивности воды и газа.

2) О времени проявления рассматриваемых показателей. Гидрогеохимическая подготовка к землетрясению может начаться за несколько лет (долгосрочные показатели), месяцев (среднесрочные), дней и даже часов (краткосрочные). Некоторые из показателей постепенно переходят из одной группы в другую с ростом контрастности (аномальности) содержания. Другие компоненты проявляются в ту или иную фазу. Поэтому набор показателей, характерных для той или иной стадии подготовки землетрясений, устанавливается также опытным путем.

3) О комплексности исследований. Наряду с гидрогеохимическими предвестниками землетрясений используются данные об изменении других показателей режима подземных вод (дебита, уровня, температуры, мутности воды), а также результаты наблюдений за колебаниями земной поверхности и геофизическими полями в атмосфере и недрах (деформационные, сейсмические, радиационные и др.). Поэтому при организации слежения за сейсмическими процессами сочетание видов наблюдений, как видно из сказанного, может быть самым разнообразным. Вместе с тем, гидрогеохимические исследования в этом комплексе работ занимают ведущее место, особенно наблюдения за поведением гелия и радона.

Изучение изменения гидрогеохимического режима после землетрясений. После прохождения форшока довольно часто наблюдается формирование гидрогеологических аномалий. Иногда они проявляются на расстоянии в сотни, а в ряде случаев – несколько тысяч километров от эпицентра подземной стихии.

После землетрясения образуется новая система трещин, усиливается на какой-то период гидравлическая взаимосвязь изучаемого горизонта (зоны) как с ниже-, так и с вышележащими. Поэтому часто наблюдаются противоречивые результаты. Так, например, на месторождении углекислых термальных вод, находящимся на востоке Малого Кавказа, после Дагестанского землетрясения 14 мая 1970 г. наблюдалось уменьшение минерализации вод с 2,92 до 2,37 г/л. Другие примеры показывают, что после землетрясения может происходить и повышение минерализации, как это наблюдалось в ряде скважин в районе Ташкента. После землетрясения 1966 г. минерализация вод возросла с 0,93 до 1,3 г/л и поддерживалась на таком уровне в течение двух лет, а состав вод изменился с хлоридно-гидрокарбонатного на гидрокарбонатно-хлоридный натриевый.

Изменения содержания отдельных компонентов не всегда совпадают с соответствующими фазами колебания минерализации вод. Корреляция содержания макрокомпонентов и минерализации наблюдается чаще, особенно у хлора, у гидрокарбонатов, натрия, в меньшей степени у кальция и магния. Такой корреляции у микрокомпонентов может не быть. Так, например, после землетрясения в водах Истису (Азербайджан) содержание брома возросло с 1,96 до 4,86 мг/л, а йода уменьшилось с 0,8 мг/л практически до нуля. То же самое можно сказать о поведении таких микрокомпонентов как ртуть, мышьяк, аммоний, литий. Их концентрация после толчка может возрастать или падать на 2-3 порядка.

В этот период наблюдаются также изменения концентрации и состава газовой фазы. После Дагестанского землетрясения, случившегося 14 мая 1976 г., в скважинах близ расположенного полигона отмечалось увеличение содержания углекислоты, метана и уменьшение - сероводорода. Аномальные концентрации гелия и радона сохраняются в афтершоковый период длительное время, но в поведении этих компонентов наблюдается некоторая импульсивность при общем спаде их содержания. Так, например, для радона В.И. Уломов, рассмотрев материалы наблюдений Ташкентского землетрясения, установил четыре этапа: 1) накопление упругих напряжений и закрытие пор, сопровождающиеся увеличением растворения радона в воде; 2) сдвигово-упругие деформаций, когда концентрация радона возрастает в 2-3 раза; 3) форшоки землетрясения, когда содержание радона остается постоянным; 4) снятие упругих деформаций, сопровождающееся уменьшением содержания радона.

Изотопные соотношения в воде в рассматриваемый период также заметно изменяются. Это относится к изотопам углерода, урана, гелия и других компонентов. В момент афтершока наблюдаются изменения соотношений С¹³/С¹², U²³⁴/U²³⁸, He³/He⁴ а после него происходит постепенное возвращение к исходным значениям.

Таким образом, из сказанного видно, что гидрогеохимические показатели после землетрясения свидетельствуют о том, что подземные воды постепенно возвращаются в свое исходное состояние. Длительность этого периода может быть разной – от нескольких дней до нескольких лет. Но не всегда этот процесс можно четко проследить, так как за главной фазой землетрясения следует серия более слабых толчков. Кроме того, на гидрогеохимический режим могут влиять подземные удары, возникающие в других регионах, расположенных на многие километры от места наблюдений. Все это способствует «подкачке» давления в пластах, росту напряжений в массиве пород и, как следствие, – сдвигу гидрогеохимических равновесий.

А.Т. Сорокина (2009) изучала в долине реки Амур в районе поселка Константиновское гидрогеохимическую аномалию. В течение 1992-2001 гг. она исследовала поведение гелия и химических компонентов воды. Было установлено, что динамика газового потока изменялась под влиянием сейсмических процессов. За время наблюдений произошло 63 землетрясения с магнитудой от 2,4 до 7,5 баллов. Концентрация гелия при этом изменялась в пределах (1500 – 75000) · 10^-5 мл/л. Минерализация вод была равна 1,6 г/л, а состав – хлоридным натриевым. Активизации сейсмических движений соответствовали резкие перепады концентрации гелия, содержания диоксидов азота, серы, аммиака. Наблюдались также изменения макрокомпонентного состава вод, а также концентрации углекислого газа, бора, брома, серебра, золота, цинка, рубидия, фтора, лития и кремнезема.

Наряду с режимными наблюдениями за составом вод изучаются и другие показатели – гидродинамические (дебит, уровень, давление) и температурные, аномальность которых также проявляется длительное время (до 3 лет) и фиксируется не только непосредственно на месте катастрофических событий, но и на больших расстояниях от них.

Использование гидрогеохимических данных для изучения влияния сейсмических и космических факторов на подземную гидросферу. Коснемся сначала изучения сейсмических процессов по гидрогеохимическим данным. Такие подходы широко используются в гидрогеоло­гической практике, например, в связи с изучением карста и химической денудации пород, выделением этажей карстования пород, отвечающих определенным этапам движения земной коры, выявлением особенностей роста и состава сталактитов, сталагмитов и других натечных образований. Весьма чувствительны к сейсмическим процессам различные типы минеральных вод (углекислых, кремнеземистых, высокоминерализованных). По отложениям источников (современных и древних) можно судить о положении выходов подземных вод в прошлом, перемещении мест вытекания источников в результате эрозионной деятельности и движения поверхности земли (переменами в положении базиса дренирования), изменении химического, газового и температурного режимов подземных вод. Информацию о палеорежиме вод можно получить, изучая следы водных потоков, образующих травертины, гейзериты, наледи и другие отложения.

Исследование вертикальной зональности новообразований солей и минералов позволяет также изучить современные движения земной коры. По их взаимоотношению можно судить о знаке и интенсивности современных тектонических движений. В качестве примера такого рода можно привести результаты исследований Л.В. Мигунова в Соликамской впадине.

В этом районе верхние пласты каменной соли, прослои гипса и прожилковатый розовый галит растворяются инфильтрационными водами, пересыщенными сульфатом кальция, и в трещинах отлагается волокнистый гипс. При воздымании территории верхняя граница распространения волокнистого гипса начинает растворяться. При смешении продуктов этого растворения – сульфатных кальциевых вод с инфильтрационными водами гидрокарбонатного кальциевого состава – происходит пересыщение раствора карбонатами кальция и его отложение по трещинам выше волокнистого гипса. При опускании территории в трещины попадают растворы выщелачивания каменных и калийных солей, пересыщение которых приводит к отложению в трещинах бесцветного галита.

Из сказанного видно, что положение границ минеральных новообразований может быть использовано для оценки глубины проникновения вод выщелачивания и соответственно глубины дренирования водоносных горизонтов. Л.В. Мигунов предложил использовать гидрогеохимические критерии для установления знака современных тектонических движений. Если непосредственно над верхней границей развития по трещинам гипса или галита подземные воды не насыщены соответственно сульфатами кальция или хлоридами натрия, то район испытывает воздымание, а в случае пересыщения – погружение.

На изменение режима подземных вод, происходящее под воздействием сейсмогенных явлений, нередко накладывается воздействие метеогенных и космогенных факторов. О влиянии на подземные воды климатических процессов, носящих цикличный характер, – суточный, сезонный, многолетний, уже говорилось. Роль космогенных факторов установить значительно сложнее вследствие быстротечных и малых колебаний содержания компонентов. Но такие изменения достаточно хорошо фиксируются в сейсмоактивных районах, особенно, если водоносные системы обладают высокой степенью газонасыщенности.

Сам факт существования космогенного режима подземных вод известен уже давно, но сведения о продолжительности его циклов появились в 70-х годах прошлого века. Так, во время сейсмического затишья на Дагестанском полигоне были выделены периодические колебания концентрации гелия, связанные с волнами гравитационных приливных деформаций. Вариации колебаний гелия с периодом 12 и 23,9 ч объяснялись влиянием волн солнечного прилива, а 12,4, 14,25 и 25,8 ч – влиянием волн лунного прилива.

Подобное явление установлено также в районе Кавказской группы минеральных вод [50], где наблюдения проводились в течение 4-6 лет и собран внушительный статистический материал (1500-2100 проб). Изменение давления в водоносных породах и порового пространства вызывает некоторые изменения состава подземных вод, залегающих на глубине 1-1,5 км. Для скважины, вскрывшей пресные воды в апт-альбском горизонте, установлены суточный период изменения концентрации гелия, 16-часовой – для аммония, полусуточный – для радона и карбонат-иона, 8- и 4-часовые – для магния, кальция, калия, натрия, хлора, стронция, брома. Указанная периодичность свидетельствует о том, что отдельные компоненты реагируют на разные фазы Луны. Амплитуда колебания содержания указанных компонентов сравнительно невелика –обычно 1-5 % от фоновых. Вместе с тем, учитывая большие глубины и непрерывность воздействия лунного и солнечного притяжения, можно вполне определенно говорить о глобальной и глубинной роли этого фактора, способствующего перемешиванию вод в пределах водоносных систем и между ними, а также сдвигу физико-химических равновесий в недрах в ту или иную сторону.

Интересно, что в схожих гидрогеологических условиях в том же районе получены данные об изменении поведения подземных вод во время солнечного затмения 31 июля 1981 г. (рис.14). В этот период произошло увеличение минерализации вод, содержания в них гидрокарбонатов и сульфатов. Вместе с тем, уменьшилась концентрация углекислого газа в два раза. Разнообразные изменения химического режима подземных вод во время солнечного затмения установлены в минеральных источниках, грязевых вулканах и других водопунктах.

Кроме рассмотренных космогенных факторов гидрогеохимического режима водоносных систем можно назвать еще один – солнечная активность. На тех же объектах Кавказской группы минеральных вод установлена корреляционная связь между концентрацией некоторых химических компонентов и солнечной активностью [50]. В пресных водах эта связь установлена для минерализации, гидрокарбонатов, кремнекислоты, стронция, а в углекислых – для углекислого газа и карбонат-иона (рис. 15).

Эколого-гидрогеологические последствия образования импактных структур. При движении по галактической и гелиоцентрической орбитам Земля испытывает воздействие планет Солнечной системы и других космических тел. Это воздействие фиксируется в изменении водного, теплового, биогенного режима Земли, в положении и интенсивности проявления ее геофизических полей. Наблюдается повторяемость геологических, климатических, гидрологических, гидрогеологических и других природных событий, но каждый раз на новом уровне с некоторой периодичностью изменения темпов цикличности и смещением этих процессов во времени. Эта цикличность нарушается столкновением с крупными космическими телами, что может вызвать катастрофические последствия и изменить сценарий развития нашей планеты.

Изучение астроблем, возникших в предыдущие геологические эпохи, дает основание предполагать их важную роль в истории Земли, особенно на начальных этапах ее эволюции, когда бомбардировка из космоса была наиболее интенсивной. Поскольку следов этих бомбардировок на планете не сохранилось, то возникают различные фантастические идеи. Как, например, предположение о том, что основа водного питания Мирового океана пришла из космоса в результате падения ледсодержащих астероидов. Вполне очевидно другое, что неокрепшая земная твердь пробивалась многочисленными космическими пришельцами и вызывала активизацию магматических процессов. В последующие эпохи частота падения космических объектов на Землю значительно сократилась.

По мнению В.Л. Масайтиса [38] за последние 2 млрд лет на Землю упало примерно 100 000 метеоритов, образовавших кратеры размером более одного километра, из них около 600 воронок имело диаметр, превышающий 5 км, а 20 кратеров – 50 и более км. Количество мест, где зафиксированы в настоящее время импактные структуры, достигло 200, причем их число из года в год растет, так как совершенствуется методика исследований, аппаратура и дешифрирование снимков. Следы падения даже крупных метеоритов довольно быстро исчезают. Достаточно, примерно, 10 млн лет для того, чтобы место падения метеорита диаметром 1 км было бы разрушено и замаскировано процессами денудации, эрозии и накопления молодых отложений.

Изучение астроблем и молодых кратеров метеоритного происхождения представляет большой интерес для специалистов разных направлений. При этом наиболее важное значение имеют:

1) Энергия, выделяемая космическим телом, и геологические последствия. Скорость движения крупных метеоритов (болидов) при вхождении в земную атмосферу достигает 5-25 км/с. При ударе его о Землю выделяется огромное количество энергии. По Л.П. Хряниной [56] при образовании кратера диаметром 0,922 км мощность взрыва составляет 10¹⁸  Дж, при диаметре 28 км – 10²²Дж, при диаметре 72 км – 10²⁴ Дж. Вся энергия при этом выделяется в тысячные доли секунды или в несколько секунд. Для сравнения отметим, что Земля получает в течение года солнечной энергии 5,2 ∙ 10²⁴ Дж/год, а энергия, выделяемая при эндогенных земных процессах (вулканических, сейсмических, тектонических и др.), на несколько порядков меньше таковой, образующейся при взрыве крупного метеорита.

При падении космического тела на Землю происходит его торможение, плавление и испарение. В зоне удара породы разрушаются, деформируются, плавятся и выбрасываются в стороны и вверх. Одна часть из них образует кольцевой вал, а другая падает обратно в кратер. В его цоколе породы метаморфизуются и становятся сильно трещиноватыми. В зоне наиболее активного метаморфизма давление может достигать 50-100 гигапаскалей, а температура – более 2500 ºС. С увеличением размеров взрывного кратера возрастает роль импактных расплавов.

По оценке М.Р. Денса (1977) и других исследователей глубина проникновения импактных взрывов является весьма значительной и достигает для структур диаметром 10-20 км и более до 1/4-1/5 их диаметра. Это означает, что крупные космические тела могут пробить осадочный чехол и взорваться уже в пределах складчатого фундамента, на глубине 1-2 км, возможно и более. Дискуссионным остается вопрос о реакции астеносферы на мощные космические удары, которые образуют кратеры размером 100 и более километров. Достоверных ответов по этим вопросам пока нет. Вместе с тем существуют небезосновательные предположения, что «горячие точки» (поля, участки) являются следствием удара космических тел. Они способствовали образованию мантийных диапиров в прибрежных морских регионах, где мощность земной коры значительно меньше, чем на континентах. Дополнительным аргументом в пользу такого предположения может служить длительность сохранения тепловых аномалий на месте образования импактных структур (млн лет).

2)Гидрогеологические последствия. Образование глубоких кратеров вызывает значительные изменения гидрогеологической обстановки. Особенно резко она реагирует на космическое воздействие на территориях артезианских бассейнов, которые характеризуются многослойным гидрогеологическим строением. На начальном этапе образования кратера происходит глубокое осушение его разреза и примыкающих к нему водоносных слоев в результате вскипания подземных вод после импактного воздействия. На следующем этапе происходит глубокое дренирование водоносных систем и формирование своеобразного «гидрогеологического окна». Это «окно» становится открытым для проникновения пресных инфильтрационных вод атмосферного происхождения на значительные глубины. Смешение вод различного химического состава приводит к разнообразному минералообразованию. Особенно активно эти процессы протекают при вскрытии кратером рассолосодержащих горизонтов. Это относится, прежде всего, к артезианским областям, находящимся на территории нашей страны – Восточно-Европейской и Восточно-Сибирской.

Так, по данным В.Л. Масайтиса (2006) на Русской плите обнаружено 15 импактных структур. Вместе с тем, плотность распространения астроблем диаметром более 1 км, по мнению того же автора, в пределах осадочных бассейнов составляет 25-35 структур на 1 млн км². Поскольку космическое тело глубоко проникает в осадочный чехол и изменяет гидрогеологическую обстановку на длительное время, то такое воздействие следует учитывать при создании палеогидрогеологических реконструкций.

Импактные структуры в горно-складчатых областях выполняют роль аккумуляторов подземных вод. Этому способствует образование в скальных породах зон брекчирования и дробления. Дольше всего астроблемы сохраняются на территории древних щитов, но их специфическое гидрогеологическое назначение весьма ограничено. Денудация, эрозия, кольматирование трещин и пустот лишают их каких-либо преимуществ в степени обводненности по сравнению с окружающими блоками пород.

Кольцевые структуры вулканического и импактного происхождения внешне трудно различимы. Но если у первых имеется глубинная корневая система, то у вторых такая система отсутствует, а проницаемость и обводненность с глубиной быстро затухают.

Уникальный материал был получен в результате гидрогеологического опробования глубокой скважины в центре Пучеж-Катункской астроблемы (Воротиловская структура), находящейся в 75 км севернее Нижнего Новгорода и на северо-восточном борту Московского артезианского бассейна [7]. Рассматриваемая астроблема возникла 183 млн лет назад. Ее диаметр примерно равен 80 км. Воротиловской скважиной были вскрыты 4 комплекса пород:

• глины и пески неоген-четвертичного возраста, в интервале 0-62 м;

• глины средней юры и комптомиктовые гравелиты, в интервале 62-368 м;

• зювиты и аллогенные брекчии, в интервале 368-550 м;

• породы докембрийского фундамента и аутигенные брекчии по ним, в интервале 550-5374 м.

В открытом стволе скважины на глубине от 750 до 5050 м через каждые 100-150 м были отобраны пробы воды и газа на химический анализ. По его результатам в разрезе скважины было выделено 4 гидрогеохимические зоны (табл. 17).

Таблица 17