Хорошей иллюстрацией сказанному может быть выпадение солей из предельно насыщенного рассола, когда в результате смены температуры и давления растворимость солей оказывается выше предела насыщения (см. рис. 9). Пример — упомянутые гейзериты или травертины, отлагающиеся вокруг источников, засоление почв при испарении или вымораживании, а также осаждение растворенных веществ на геохимических барьерах. Таким образом, гидрогенное минералообразование (такое наименование получил этот процесс) сопровождаете существенным изменением состава подземных вод.
При соприкосновении с различными поглотителями (глинами, коллоидами и т. д.) растворенные вещества могут удаляться и из ненасыщенных солями подземных вод. Этот процесс потери их раствором называется сорбцией. Особенно легко сорбируются редкие элементы.
Процессы, сочетающие воспроизводство и поглощение растворенного вещества, носят обменный характер.
Весьма велика роль ионного обмена. Поскольку частицы горных пород имеют преимущественно отрицательный заряд, между подземными водами и вмещающими породами совершается большей частью обменная адсорбция катионами, благодаря чему переходят в раствор кальций или натрий, обменивающиеся на эквивалентное количество соответственно натрия или кальция. Обменно-адсорбционные процессы совершаются главным образом в верхних горизонтах осадочных толщ, однако высокие скорости движения подземных вод для этого неблагоприятны.
В глубоких горизонтах более вероятна обменная абсорбция, заключающаяся в метасоматическом замещении катионов породы с большими ионными радиусами на катионы воды меньших радиусов. С ней связаны доломитизация известняков, альбитизация плагиоклазов или анальцимизация цеолитов, за счет чего подземные воды глубоких горизонтов обогащаются кальцием. Некоторые исследователи этими реакциями объясняют образование хлоридных кальциевых рассолов.
Окислительно-восстановительные и биогеохимические реакции сильно преобразуют растворенные вещества. Обе реакции взаимосвязаны, так как окисление или восстановление почти всегда происходит с участием органических продуктов, и наоборот, биогеохимические процессы имеют в своей основе окислительно-восстановительные реакции.
Окисление интенсивно протекает в верхних горизонтах и сопровождается выделением значительного количества тепла, в итоге подземные воды обогащаются газами, сульфатами, металлами, а в осадок выпадают, например, соединения железа или сера. Хорошими окислителями, кроме кислорода, являются элементы, способные принимать электроны (трехвалентное железо, четырехвалентный марганец). Окислению способствуют микроорганизмы.
Восстановительные реакции характеризуются недостатком или отсутствием кислорода. Восстановительная среда может быть сульфидной (сероводородной) и глеевой (бессероводородной). Первая приводит к биогеохимическому разложению сульфат-иона с образованием сероводорода, углекислоты и гидрокарбонат-иона; во второй образуются железистые воды, осаждаются марганец, медь, уран.
Источником энергии биогеохимических процессов служат органические вещества. Сами по себе они хорошие восстановители. Движущая сила таких реакций — бактерии. Широкая гамма аэробных (нуждающихся в кислороде) и анаэробных (обходящихся без него) бактерий воздействует на органику, поэтому в подземные воды переходят различные продукты ее разложения — кислоты, спирты, фенолы, элементоорганические соединения, углеводороды, а их взаимодействие с подземными водами вызывает удаление веществ, которые образуют с ними соединения.
Радиоактивный распад как процесс, формирующий состав подземных вод, еще нельзя оценить в полной мере, но несомненно, что благодаря ему происходит воспроизводство или поглощение радиоактивных элементов подземных вод (урана, радия, тория, радона, торона). С этим же процессом связано появление в подземных водах гелия.
Группа процессов, вызванных добавлением или удалением молекул воды (см. табл. 8), отличается коренным образом от только что описанных. Сюда прежде всего относятся гидратация и дегидратация минералов. Если гидратация, то есть захват свободной воды минералами, характерна преимущественно для верхней зоны и способствует концентрированию растворенных веществ, то дегидратация происходит исключительно в глубоких горизонтах и, вызывая обезвоживание пород, действует опресняюще на подземные воды. Гидратация вызывает концентрирование растворенного вещества. Однако эффект концентрирования мало заметен из-за высокой подвижности подземных вод в верхней зоне. О роли дегидратации упоминалось: это переход в свободное состояние почти дистиллированной воды.
Подземное испарение и вымораживание — процессы, приводящие к концентрированию подземных вод вплоть до выпадения растворенного вещества в осадок. Однако оба они не имеют регионального значения, хотя местами играют важную роль: испарение — в аридной зоне, вымораживание — в условиях ледового климата.
В начальной стадии этих процессов удаляются кремнистые соединения и карбонаты. При вымораживании раствор приобретает специфический состав, когда магний становится преобладающим катионом: удаление магния происходит после выпадения доломита. На следующих стадиях концентрирования раствор обогащается сульфатными и хлоридными солями. В процессе вымораживания подземных вод попутно с увеличением минерализации происходит сложное взаимодействие остающейся Жидкой фазы с породами — такое преобразование состава подземных вод называют криогенной метаморфизацией.
Наконец, о фильтрационном и осмотическом эффектах, которые получили обобщенное наименование мембранных. Суть их заключается в том, что при фильтрации подземных вод через породы с различной проницаемостью на мембранах, то есть породах с пониженной проницаемостью, имеет место отсеивание ионов и солей. Мембранные эффекты наиболее вероятны в случае рассеянной разгрузки подземных вод через глинистые водоупоры, но у многих исследователей они вызывают сомнение.
Природные обстановки формирования состава подземных вод. В природе, как известно, все взаимосвязано. Причины — факторы, вызывающие изменение состава подземных вод, и следствия — процессы, его создающие, проявляются в разнообразных сочетаниях и последовательности. На примере процессов хорошо видно, как часто один из них стимулирует и вызывает или, наоборот, подавляет другие. Цельное представление о формировании состава подземных вод можно получить лишь тогда, когда факторы и процессы рассматриваются с учетом генетического типа и генетического цикла подземных вод применительно к конкретным физико-географическим, геологоструктуриым и термодинамическим обстановкам.
О генетических типах подземных вод уже шла речь (см. рис. 9). Когда мы говорили о круговороте воды (см. рис. 5), упоминали и генетические циклы. Теперь суммируем имеющуюся информацию.
Генетический цикл — совокупность геологических процессов и их последовательность. Применение этого понятия позволило выдающемуся советскому гидрогеологу Г. Н. Каменскому еще в 40-х годах привести представления о формировании подземных вод в стройную систему и наметить следующие генетические циклы подземных вод:
инфильтрационный, или континентальный, связанный с инфильтрацией атмосферных осадков и комплексом процессов, идущих в верхних горизонтах;
морской, или осадочный, вызванный захоронением морских вод в процессе осадкообразования и дальнейшим их преобразованием;
метаморфический и магматический, связанные с формированием глубинных вод (гидротерм, возрожденных, ювенильных); иногда эти два цикла выделяют в один — вулканогенно-гидротермальный.
Для обособления конкретных обстановок формирования состава подземных вод следует принять во внимание приведенную ранее их классификацию (см. табл. 7) и учесть воздействие на подземную гидросферу двух разнонаправленных начал — поверхностного (экзогенного) и глубинного (эндогенного). Тогда мы получим различные природные обстановки, в которых проявляются факторы или действуют процессы. С известной долей условности по главным обстановкам выделяются следующие разновидности подземных вод: