Читаем Подземная гидросфера онлайн бесплатно

Мы привыкли к воде, ее мир постоянно окружает нас. Океаны, моря, озера, реки, ледники, дождь и снег… Вода находится не только на поверхности Земли. Встречаем мы ее и в земных недрах, где она заполняет пустоты горных пород и входит в состав минералов. Твердь земная, в сущности, пронизана водой.

Гидросфера — водная оболочка Земли. Принято считать, что основной объем воды сосредоточен в Мировом океане. Но по мере изучения глубин планеты это мнение было поколеблено. Оказывается, в земных недрах ее не меньше, чем на поверхности. Правда, в отличие от наземной водной оболочки подземная гидросфера неоднородна и образует систему, в которой вода в той или иной степени связана с горными породами. Порой так тесно, что неотделима от них.

Интерес к воде земных недр человек проявляет давно. Уже древние цивилизации использовали для своих нужд выводимые родниками пресные и минеральные воды. Легенда приписывает Гераклу честь, кажется, первого человека, осуществившего искусственное получение подземных вод: демонстрируя силу, он глубоко вонзил в землю свою знаменитую дубину, а когда вытащил ее, из возникшего отверстия хлынула вода и образовала целое озеро. Примерно три-четыре тысячелетия назад для вывода подземных вод стали копать колодцы и бурить скважины. Одновременно с использованием их в хозяйственных целях люди еще античных времен (мыслители Фалес, Аристотель, Витрувий и другие) пытались проникнуть в тайны подземной гидросферы.

К сожалению, глубины Земли мы еще знаем плохо. И совсем мало известно о деятельности там воды. Мнения на сей счет весьма разноречивы, порой взаимоисключающи. Нет и единой точки зрения на то, когда вода появилась в недрах Земли. Эти проблемы, как правило, обходят вниманием или упоминают о них скороговоркой. Они действительно сложны. Не удивительно, что до сих пор в учебниках рассматривается обычно подземная вода небольших глубин (редко более 0,5–1 километра) и только в так называемом «жидком» виде. Между тем в земных недрах молекулы Н₂О самого различного фазово-агрегатного состояния прослеживаются до глубин в несколько десятков километров, при этом не только под сушей, но и под дном морей и океанов, хотя дно океана для гидрогеологов пока «терра инкогнита».

Научно-популярной литературе в этом плане также не повезло. Правда, подземным водам в последнее время было посвящено несколько интересных публикаций. Назову хотя бы «Невидимый океан» А. А. Карцева и С. Б. Вагина, «Вода под землей» И. Г. Киссина, «Подземные воды — наше богатство» Н. И. Плотникова, «Рассказы о воде: Белорусские криницы» А. В. Кудельского или «Живая вода в недрах Севера» П. Ф. Швецова. Особо хочется отметить популярно и оригинально написанные «Мир воды» В. Ф. Дерпгольца и «Занимательную гидрогеологию» А. К. Ларионова.

Стоит ли еще раз писать о воде земных недр? Да, стоит, и вот почему. Во-первых, все тиражи названных книг полностью разошлись, что свидетельствует об интересе читателя к этой проблеме. Во-вторых, они посвящены главным образом подземным водам, в них мало внимания уделяется подземной гидросфере в целом и геологической деятельности воды, особенно глубоких внутриземных вод. Наконец, в-третьих, в последние годы объем информации, касающейся недр Земли, строения подземной гидросферы и геологии воды растет так быстро, что новая книга просто необходима.

Подземная гидросфера включает все разновидности воды, находящиеся в Земле. Это — вода свободная, то есть вода в обычном понимании, и связанная с породами физически и химически; по фазово-агрегатному состоянию Н₂О может быть жидкой, твердой (лед), газообразной (пар) и надкритической (водяной флюид). Наука, изучающая подземную гидросферу, называется гидрогеологией.

Мне приходилось уже писать в научно-популярной форме о подземной гидросфере: в 1979 году издательство «Знание» выпустило небольшую брошюру «Охрана подземной гидросферы». В ней кратко рассмотрены основы современной гидрогеологии, строение и формирование подземной гидросферы, геологическая роль воды, в заключение речь идет о воздействии человека на подземную гидросферу и даются рекомендации по охране ее от негативных последствий этого воздействия. Однако многое, о чем хотелось рассказать, из-за небольшого объема брошюры не нашло освещения. С 1980 года стали выходить издаваемые Комиссией по изучению подземных вод Сибири и Дальнего Востока при Сибирском отделении АН СССР тома «Основы гидрогеологии». Первым был издан том «Общая гидрогеология», затем «Гидрогеохимия», «Гидрогеодинамика» и «Геологическая деятельность и история воды в земных недрах», наконец, в последние годы «Методы гидрогеологических исследований» и «Использование и охрана подземных вод». Шеститомник представляет современный свод знаний о подземной гидросфере и использовании ее ресурсов.

Естественно, встала задача популяризовать изложенные в «Основах гидрогеологии» представления о подземной гидросфере, ее количественно-качественной характеристике, рассказать о жизни воды в земных недрах и участии ее в разнообразных геологических процессах. Поскольку я был одним из инициаторов издания «Основ гидрогеологии», на меня и пал выбор.

В основу предлагаемой книги положена упомянутая уже брошюра «Охрана подземной гидросферы», дополненная новым материалом из шеститомника «Основы гидрогеологии». Вместе с тем автор попытался показать и людей, которые создали гидрогеологию и развивают эту науку в наше время, а также осветить проблемы, волнующие гидрогеологов.

То, о чем пойдет далее речь, сформировалось в значительной степени под влиянием неоднократных встреч с членом-корреспондентом АН СССР П. Ф. Швецовым.

Вот одна из первых. Декабрьский вечер 1977 года. Москва. Квартира в большом здании на Ленинском проспекте. Хозяин кабинета, стены которого сплошь заставлены книгами, — Петр Филимонович Швецов, крупнейший советский гидрогеолог и мерзлотовед. Нас двое.

Речь идет об истории знаний в гидрогеологии, предмете ее изучения и методологии исследования, обсуждается готовящийся к изданию первый том «Основ гидрогеологии». Беседа затянулась. Временами возникает спор: наши точки зрения на современное содержание гидрогеологии не совсем одинаковы.

Петр Филимонович склонен ограничивать объем гидросферы только поверхностной ее частью, поэтому вода, находящаяся в земной коре, по его мнению, не входит в гидросферу. Тут у нас взгляды расходились. Но мы дискутировали не о словах, а о понятиях и вкладываемом в слова смысле. Гидрогеология должна изучать не только подземные воды, а водоносную систему, образуемую водами Земли с вмещающими их горными породами. Вот тут наши мнения были едины, хотя подход к выделению такой системы у каждого отличался и называли мы ее по-разному.

В тот вечер мы говорили долго. Наши точки зрения сблизились по ряду принципиальных вопросов.

Затем встречались еще несколько раз. Запомнилась встреча, состоявшаяся через четыре с половиной года спустя. Обсуждались «Перспективы развития гидрогеологии» — в конце 1981 года статья с таким названием была опубликована в одном из центральных академических журналов. В беседе был затронут достаточно широкий круг гидрогеологических проблем. Разговор шел о водах Земли. В итоге этой беседы у автора окончательно утвердилась мысль рассказать в научно-популярной форме о подземной гидросфере.

Эта мысль получила одобрение у ветерана гидрогеологических исследований, ныне покойного, профессора Алексея Ивановича Дзенс-Литовского, затем у заведующего отделом гидрогеологии Всесоюзного геологического института Евгения Алексеевича Баскова и заведующего кафедрой гидрогеологии Московского геологоразведочного института профессора Владимира Михайловича Швеца. Они дали несколько конструктивных советов. При завершении работы особенно ценными были критические замечания моих коллег, членов редколлегии «Основ гидрогеологии» — Степана Львовича Шварцева, Игоря Сергеевича Ломоносова и Бориса Иосифовича Писарского: они первыми просмотрели рукопись этой книги. Всем им, а также научному редактору — члену-корреспонденту АН СССР Виктору Прокопьевичу Солоненко автор выражает глубокую признательность.

Воду земных недр люди использовали уже на заре цивилизации. И тогда же они стали задумываться о ее происхождении.

Преданья старины глубокой. Уже в XXIII веке до нашей эры шумеры — первые обитатели Двуречья — знали, где и как искать подземные воды. На Ближнем Востоке, в Средней Азии, Индии и Китае несколько тысячелетий назад их стали применять для водоснабжения и орошения. Тогда же научились использовать для лечения минеральные воды. В Вавилоне четыре тысячелетия тому назад была создана книга «О сотворении мира»; в ней задолго до Библии описан не только Всемирный потоп, но и борьба божества, которое охраняло воду, вытекающую из недр Земли, с чудовищем преисподней.

Первые догадки относительно природы подземной гидросферы принадлежат античным мыслителям. Подземная вода образуется из морской, учили Фалес и Платон. Среди наивных, подчас фантастических представлений встречаются взгляды, основанные на фактах и глубоких обобщениях. Вероятно, их имел в виду А. Гумбольдт, когда сказал: «Знанию всегда предшествует предположение». Аристотель (IV век до нашей эры) считал, что подземная влага образуется из охлаждающегося в пещерах воздуха, а состав подземных вод отражает состав пород. «Каковы породы, таковы и воды» — этот тезис, высказанный Аристотелем и развитый Плинием Старшим, долгое время считался основополагающим.

Идеи, близкие современным, высказал Витрувий (I век до нашей эры) в своем сочинении «Десять книг об архитектуре». Появление источников и воды в колодцах он объяснял просачиванием внутрь земли дождевых и талых вод: «Лощины меж гор, — писал он, — особенно легко вбирают дождевые воды, и благодаря чаще лесов снега там под прикрытием теней деревьев и гор подолгу сохраняются и затем, по мере таяния просачиваясь по земляным пластам, доходят до самого низа подошвы гор, откуда… бьют ключом источники». Этого ученого можно считать родоначальником инфильтрационной теории образования подземных вод.

В средневековье взгляды древних эллинов и римлян получили развитие в трудах натурфилософов Ближнего Востока и Средней Азии. Из них хочется прежде всего назвать уроженца Хоревма Бируни, который на шесть-семь столетий раньше европейцев объяснил появление гидростатического напора подземных вод. Вот как он это изложил в известном труде «Памятники, оставшиеся от грядущих поколений» (1001 год): «Когда вода поступает из хранилищ, лежащих выше уровня Земли, то она поднимается и бьет вверх под напором». Как это происходит, можно увидеть на рис. 1.

Рис. 1. Примерно так объяснял появление напорных (восходящих) источников Бируни.

Совсем недавно стал известен труд персидского ученого Каради (умер в 1016 году) «Поиски скрытых под землей вод». В нем дано, пожалуй, первое систематизированное изложение учения о подземных водах, сделавшее бы по кругу затронутых вопросов честь современному учебнику. Автор разбирает круговорот воды в природе, выделяет напорные и безнапорные воды, называет растения-индикаторы неглубоко залегающей влаги, оценивает качество подземных вод и, наконец, дает рекомендации по их поискам. Важно и другое: Каради ссылается на многих своих предшественников, занимавшихся аналогичными исследованиями. Иначе говоря, у естествоиспытателей Ближнего Востока тогда уже были определенные успехи в изучении подземных вод.

В Китае буровой станок для сооружения колодцев появился несколько тысячелетий назад. Напорные воды, изливающиеся из скважин, в XII веке впервые получены на севере Франции в провинции Артуа. От латинского ее названия (Артезия) напорные подземные воды и стали называться артезианскими. В это же время на Руси с помощью «верчения» (то есть бурения) сооружаются рассолодобывающие скважины.

Идеи Витрувия и Бируни не скоро получили признание. Сказывалась инерция средневекового застоя, продолжавшаяся до XVI века, когда Георг Агрикола и Бернар Палисси по результатам натурных наблюдений стали пропагандировать мысль, что вода под землей скапливается в результате просачивания из атмосферы. Но с ними многие не соглашались, в том числе выдающиеся умы того времени — Кеплер и Декарт, продолжавшие считать первоисточником подземной гидросферы морскую воду.

Лишь в 1674 году инфильтрационная теория получила подтверждение количественными измерениями. Это сделал француз П. Перро. Боясь критики, он анонимно издал труд «Происхождение источников». Эта книга считается первой работой в области научной гидрологии, трехсотлетие которой ЮНЕСКО отмечало в 1974 году. По содержанию же она не столько гидрологическая, сколько гидрогеологическая. Несколько позднее знаменитый физик Э. Мариотт определил количество атмосферных осадков, идущих на питание подземных вод. Перро и Мариотт и заложили научные основы исследования водного баланса, которые позволили отказаться от бытовавших взглядов на проникновение морской воды под землю и противопоставить догадкам данные измерений.