Геологический круговорот воды.

Геологический круговорот воды в земной коре обусловлен непрерывным движением отдельных ее участков в связи с общей тектонической жизнью Земли. Начало круговорота связано с бассейнами осадконакопления на стадии формирования геосинклинального прогиба. В начальный этап структурного развития происходит накопление огромных толщ осадочных пород, преимущественно морского происхождения. В них захороняется большое количество седиментационных вод.

1-ый этап геологического круговорота - седиментогенный (или элизионный)связан с захоронением и отжатием поровых растворов. Подземные воды, отжатые в процессе литификации пород, называют седиментогенными или седиментационными, а сам процесс отжимания воды- элизионным.

Свежесформированный осадок на дне водоема имеет очень рыхлую структуру, высокую пористость, он обводнен (содержит 80-90% воды от общего веса). По А.И.Лисицину на дне океанов и морей ежегодно осаждается 86 млрд.тонн осадочного материала (реки, ледники, вулканические продукты, размыв морских берегов). При средней влажности осадков 70% масса захороняемой воды равна 60 млрд.тонн в год – это 0,01% объема воды, испаряющейся с поверхности Мирового океана.

При уплотнении осадка значительная часть воды возвращается обратно в водоем, где происходило осадконакопление.

При образовании мощной толщи осадков (в процессе перехода от стадии седиментогенеза к стадии диагенеза) происходит их уплотнение. По мере погружения зоны осадконакопления в результате давления перекрывающих слоев и уплотнения осадков, происходит превращение осадков в породы. При этом содержание воды в осадках начинает уменьшаться, пористость снижается.

Уже на первых сотнях метров пористость глинистых осадков интенсивно уменьшается (с 70-80% до 40-45%), и они теряют значительное количество свободной воды. При дальнейшем погружении скорость уплотнения глин и водоотдача из них уменьшаются. По данным Н.Б.Вассоевича, пористость глин на глубине 400-500м составляет 35-40%, на 2000м-20%, на 3000м-меньше 10%. Пористость песчаных и карбонатных пород с глубиной уменьшается значительно медленнее, чем глинистых. Но даже на больших глубинах (6-10км) встречаются зоны с высокой пористостью и проницаемостью.

Уменьшение пористости тонкодисперсных пород при уплотнении приводит к отжатию из них больших объемов поровых вод, поступающих в подземную гидросферу. Вода отжимается в коллекторские пласты, преимущественно песчаные, залегающие между уплотняемыми слоями глин. В песчаных пластах изначально находящаяся там седиментационная вода постепенно замещается водой, выдавливаемой из глин, так как геостатическое давление, господствующее в уплотняющихся слоях глин, в 2 и более раза превышает гидростатическое давление, преобладающее в практически несжимаемых песчаниках. Геостатическое давление в глинах, передаваясь на заключенные в них породы, создает в них давление, превышающее давление в коллекторах. Далее движение вод в водоносных горизонтах происходит в соответствии с гидравлическим уклоном, направленным от мест наибольшего прогибания и выжимания к местам относительно меньшего тектонического движения (рис. 1).

Выжимание воды может происходить от нескольких лет до 20-30 млн. лет. Седиментогенные воды при регрессии моря постепенно разбавляются и замещаются инфильтрационными водами, при последующей трансгрессии моря начинается новый цикл формирования седиментационных вод.

Рис 1. Схема отжатия воды на дне моря:

1-пески; 2-глины; 3-породы фундамента;

4-направление отжатия воды

2-ой этап геологического круговорота - метаморфогенный. Он связан с региональным метаморфизмом осадочных и вулканогенно-осадочных пород и проявляется в условиях геосинклинального режима под действием высоких давлений и температур.

После уплотнения и полной литификации осадков в их составе еще находится 2-5% (от объема) поровых вод. Эти воды в виде свободных выделяются при попадании осадочных толщ в зону прогрессивного метаморфизма, который, сопровождаясь перекристаллизацией пород, приводит к выделению в свободную фазу поровых, кристаллизационных и конституционных разностей, входящих в состав глинистых минералов. При этом происходит дегидратация и дегидроксилирование пород, т.е. выделение гидроксильной группы, ионов водорода и кислорода, которые при соединении синтезируют молекулу воды. Подземные воды, образовавшиеся из связанной воды осадочных, вулканогенно–осадочных или магматических пород в процессе их метаморфизма называются метаморфогенными или возрожденными.

Выделение воды при метаморфизме происходит медленно по мере перекристаллизации минералов. Т.о. захороненная первоначально в осадочных отложениях вода в процессе метаморфизма постепенно полностью освобождается и занимает трещины и межгранулярные пространства горных пород, а также образует восходящие потоки к поверхности земли. Таким путем свободные воды по системе сообщающихся сосудов из зоны метаморфизма оказываются выведенными снова к дневной поверхности, тем самым замыкая геологический круговорот воды и создавая флюидные потоки из коровых (15-30 км) и мантийных недр земли.

Время на прохождение метаморфической ветви геологического круговорота составляет от нескольких десятков до сотен млн.лет.

3-ий этап геологического круговорота - магматогенный. Принципиально другой ветвью геологического круговорота воды в земной коре являются предполагаемые процессы поглощения океанических вод в пределах рифтовых зон океана с последующим участием их в процессах серпентинизации мантийных пород и формирования океанической коры. Завершение этой ветви геологического круговорота воды с ее возвращением в поверхностную гидросферу предположительно может быть связано с процессами десерпентинизации (дегидратации) пород океанической коры при их погружении в районах глубоководных желобов и вулканической деятельностью.

Мантийно-океанический цикл круговорота воды А.Н.Павлов связывает со схемой движения океанического дна и системой конвективных потоков вещества, протекающих в верхней мантии в соответствии с тектоникой плит. Океаническая кора и подстилающая ее мантия, образующие литосферную плиту, движутся как единое целое от срединных океанических хребтов к обрамляющим океаны континентам (рис 2.). Скорости движения литосферных плит различны. На границе между ними образуются крупные разломы. При столкновении с континентами плиты, погружаясь под них, производят сильную деформацию земной коры (процесс субдукции). В более глубоких частях мантии (400-600км) существует конвективный поток вещества в противоположном направлении, который поднимается к поверхности в зоне срединных хребтов. При подъеме вещество мантии взаимодействует с океанической водой, образуя серпентинизированный перидотит, содержащий большое количество химически связанной воды. Этот серпентинизированный слой, образуя плиту, перемещается к континентам, и погружаясь под них, десерпентинизируется с выделением большого количества воды, которая возвращается в океан.

7

Рис 2. Мантийно – океанический круговорот воды:

1 – океаническая кора; 2 – литосфера; 3 - континентальная литосферная

плита; 4 – осадочные породы; 5 – базальтовая магма в зоне спрединга;

6 – гранитойдные интрузии; 7 – направление движения воды

По мнению А.Н.Павлова литосфера океанического типа содержит 1,8х10²³ т свободной и физически связанной воды, которая перемещается вместе с корой в сторону континентов и погружается под них на участках глубоководных желобов. Предполагается, что одна часть этой воды участвует в формировании гранитной коры континентов и возвращается в океан через климатический круговорот лишь при выходе этой коры на поверхность материков или вулканические жерла. Другая часть может вовлекаться в обратные подкоровые течения и возвращаться в океан в зонах срединных океанических хребтов через подводные извержения магм.

Другие ученые считают, что серпентинитовый слой океанической коры образуется не в результате воздействия поднимающейся магмы с океанической водой, а в результате воздействия на перидотиты и дуниты ювенильных флюидов. Флюиды могут подниматься к поверхности либо по всей площади литосферной плиты, либо только в рифтовых зонах, которые формируются в центральной части срединных океанических хребтов.

По данным сейсмической томографии (С.Маруяма, М.Кумазава и др.) в разрезе Земли выделяют 3 зоны: кору и верхнюю мантию (тектоносферу), нижнюю мантию (плюмтектонику), ядро Земли (тектонику роста или тектонику ядра). Эти ученые ведущее значение придают погружению холодных литосферных пластин в зонах субдукции. Холодные пластины погружаются сначала до границы верхней и нижней мантии (на 670км) и здесь на протяжении 100-400млн.лет находятся в состоянии относительного покоя до наступления момента катастрофического гравитационного коллапса (коллапс-ослабевание, одряхление), вследствие которого погружаются до границы мантии и ядра. Взаимодействие холодной пластины с внешним ядром вызывает охлаждение ядра и образование компенсационного восходящего течения на границе ядро-мантия с порождением плюма.

С.Маруяма и его коллеги на настоящий момент различают один крупный нисходящий холодный суперплюм (цилиндрическое тело с сечением в сотни км) под Центральной Азией и два восходящих суперплюма- под южным Тихим океаном и под Африкой. Т.о. в нижней мантии, к верхней мантии навстречу друг другу на определенном расстоянии движутся колонны охлажденного и разогретого вещества, т.е. конвекция реализуется в форме адвекции (т.е. перенос в горизонтальном направлении). Так вода вместе с литосферными пластинами может погружаться до ядра и затем снова возвращаться в земную кору. Большая часть воды при погружении выплавляется и значительно раньше покидает литосферную пластину.

Разбуривание дна Мирового океана показало наличие высокопроницаемых кристаллических пород океанической земной коры, содержащих измененные воды морского (океанического) происхождения. Возможно, это связано с движением литосферных плит. Такие воды называют талассогенными. Они формируются в опускающихся блоках в связи с увеличением температуры, давления и высвобождения физически связанных вод при дегидратации минералов.

В поднимающиеся блоки при их разуплотнении проникает океаническая вода. Воды, формирующиеся таким образом, называют литификационными = рифтогенными = субдукционными = литосферными растворами.

Недостаточная ясность механизмов, масштабов и сути мантийно – океанического круговорота воды не позволяет относить его к разряду самостоятельных. Поэтому лучше рассматривать его одним из циклов геологического круговорота, который по своей сути, вероятно, является все же океаническим.

Геологический круговорот воды совершается в различных термодинамических оболочках земной коры. Три этапа геологического круговорота (седиментационный, метаморфогенный и магматогенный) являются частью климатического круговорота (рис.3)

Диссипация водорода Поступление воды

и потеря воды в космос из космоса

ОГП

Возврат воды Поступление ювенильных

в мантию вод и вещества мантии

Рис.3 Взаимодействие климатического (I) и геологического (II) круговоротов воды