Цикл бывает неполным, в частности, магматический этап встречается реже двух первых. Питание недавно высвободившегося из-под уровня моря бассейна пластовых вод показано на рис. 11.
На первый цикл накладывается второй, третий… Резервуар подземных вод, вначале развивающийся как единое целое, может распасться на участки, которые будут развиваться разными путями. Нередко отжатие ископаемых вод в глубоких горизонтах продолжается при континентальном режиме, а верхние горизонты в это время вовлекаются в инфильтрационный водообмен. Сложное воздействие оказывают тектонические перестройки.
Чтобы проследить изменения во времени, приходится учитывать, с одной стороны, условия протекания геологических процессов в прошлом и, с другой, — следы геологической деятельности подземных вод. Для установления их генетического облика прежде всего проводится структурно-палеогидрогеологический анализ. Уже он в первом приближении позволяет судить, как развивалась рассматриваемая подземная водоносная система.
Далее прибегают к палеогидрогеодинамическому анализу, который по интенсивности водообмена в прошлом раскрывает количественные соотношения между водами разного генезиса, поступавшими в резервуар. Иногда удается достаточно точно рассчитать процентное содержание той или другой разновидности. Например, В. В. Аверьев определил, что в гидротермальной системе Долины Гейзеров на Камчатке доля ювенильной составляющей достигает 25 %, а В. Н. Корценштейн установил преобладание инфильтрогенных вод в глубоких горизонтах бассейнов Предкавказья и Средней Азии. Можно определить и объем дегидратационных вод, высвобождающихся, например, при переходе гипса в ангидрит или минерала монтмориллонита в гидрослюды. На Сибирской платформе выделившаяся при обезвоживании гипса пресная вода очень сильно разбавила маточную рапу.
Другой метод — использование палеогидрогеохимических данных. В качестве показателей здесь служат растворенные в воде специфические химические элементы и их отношения друг к другу. Широкое применение получили, в частности, натрий-хлорный и хлор-бромный коэффициенты.
Названные показатели нельзя считать бесспорными, как не является однозначным даже такой критерий, как возраст подземных вод.
Понятие «возраст подземных вод» сформулировал А. М. Овчинников, подразумевая под ним среднее время пребывания воды в земных недрах. В глубоких горизонтах это понятие относится к смеси вод и характеризует разбавление одних генетических разновидностей другими.
Довольно точно датируется с помощью радиогенных изотопов время пребывания подземных вод в верхних горизонтах: по тритию — до 50 лет, радиоуглероду — до 25 тысяч лет, и т. д. В глубоких горизонтах возраст вод измеряется миллионами лет. Тогда для его определения используют гелиево-аргоновое отношение растворенных газов, оно отражает интенсивность водообмена.
…Передо мной оттиск статьи А. М. Овчинникова, который я получил незадолго до его смерти. В жизни Александр Михайлович был очень общительным человеком, самую сложную научную идею всегда облекал в остроумную форму. На оттиске его рукой начертано: «Возраст подземных вод определить легче, чем возраст женщины». И автор не преувеличивал: тритиевый метод датирует возраст подземных вод с точностью до 1–2 лет.
Тритиевый метод успешно был применен при прогнозировании водопритоков в Северо-Муйский тоннель — самое большое сооружение на БАМе. Этот тоннель интересен во многих отношениях, главным образом по сложности геолого-гидрогеологической обстановки. Вода к горным выработкам поступает из многочисленных разломов сверху и снизу: в первом случае она очень холодная, в последнем — ее температура превышает 40 °C. Водопри-токи огромные, порой носят катастрофический характер.
С помощью определения трития установлено, что холодные воды наиболее мощных зон разломов, по которым приподнята центральная часть Северо-Муйского хребта, питаются преимущественно в весенне-летнее время — они имеют возраст меньше одного года. Реки и озера в формировании водопритоков к горизонтальным выработкам пока не участвуют. Что же касается терм, то они отличаются от поверхностных и холодных подземных вод более низкой концентрацией трития — их возраст исчисляется десятилетиями. Эта информация позволила дополнить традиционные методы прогноза водопритоков к горным выработкам.
Продолжительность водообмена в глубоких горизонтах определяется только ориентировочно. Тут важно другое. Если возраст вод и пород совпадает, то мы имеем дело с ископаемыми водами. Чем возраст вод меньше, тем сильнее разбавление просочившимися водами. В артезианских бассейнах, подвергшихся тектоническим перестройкам, ископаемые воды чаще всего вытеснены полностью.
При изучении подземных вод глубоких горизонтов используются главным образом стабильные изотопы, слагающие молекулу воды: данные по изотопному составу водорода и кислорода оказывают неоценимую помощь в диагностике генетического облика подземных вод. Представительную информацию об источнике растворенных веществ содержат изотопы гелия, углерода, серы, стронция, кремния, радиоактивных элементов.
Изотопы водород-2 (дейтерий) и кислород-18 несут в себе информацию о происхождении молекулы воды и отражают ее геологическую историю. Их содержание в исследуемом образце подземных вод позволяет сравнительно быстро найти исходную генетическую разновидность. Правда, надо обязательно учитывать возможное фракционирование и изотопный обмен в подземной гидросфере.
На рис. 12 показан изотопный состав первоисточников подземных вод в виде трех эталонов: за исходный состав инфильтрогенных вод приняты метеорные воды, содержание дейтерия и кислорода-18 в которых на земной поверхности изменяется от тропиков к полюсам по закону прямой линии; эталоном ископаемых вод служит стандарт среднеокеанической воды; гипотетический образец ювенильной воды получен американскими геохимиками по результатам изучения проявлений вещества глубинных зон Земли.
Рис. 12. Диаграмма изотопного состава водорода и кислорода подземных вод различного генетического облика.
1 — стандарт среднеокеанической воды (SMOW); 2 — гипотетический образец ювенильных вод; з — линия наземных вод; контуры: 4 — седиментогенных вод в сравнительно молодых артезианских бассейнах, 5 — концентрированных рассолов Сибирской платформы, 6 — термальных вод Прибайкалья; линии: 7 — углекислых вод Западной Чехии, 8 — парогидротерм Камчатки и Курил.
Нанесем теперь на диаграмму результаты определения дейтерия и кислорода-18 в изучаемых образцах подземных вод (см. рис. 12). Ископаемые воды сохранились в сравнительно молодых бассейнах. Упомянутые выше концентрированные рассолы Сибирской платформы располагаются между эталонами ископаемых и инфильтрогенных вод, представляя, таким образом, смесь этих первоисточников. Смесью являются также фумаролы и конденсаты вулканических извержений на Камчатке и Курилах. А вот в формировании ресурсов термальных вод Прибайкалья ювенильная составляющая, кажется, не принимала участия.
Когда мне пришлось посетить Чехословакию, то, конечно же, я побывал на знаменитом курорте Карловы Вары и отобрал из здешних термальных источников пробы воды на изотопный анализ. Ведь именно «Карлсбадскому шцруделю», как тогда называли главный источник Карловых Вар, Э. Зюсс приписывал ювенильное происхождение. С нетерпением ждал я изотопных определений. Мнение великого геолога не подтвердилось. Термы Карловых Вар, как это можно видеть из рис. 12 и табл. 6, оказались поверхностного происхождения — по концентрации дейтерия и кислорода-18 они не отличаются от наземных вод района и ничего общего не имеют с гипотетическим стандартом ювенильных вод. На метеорную их природу указывает также наличие в углекислых водах трития, достигающее 10–15 тритиевых единиц.
Однако ювенильное происхождение в термальных водах могут иметь некоторые компоненты их состава — углекислота, сульфат, гелий, фтор, стронций и т. д. И не только на Камчатке или в Карловых Варах. В термах Прибайкалья, как свидетельствуют изотопные определения, гелий появился главным образом из мантии.