Диапазон исследований Дзенс-Литовского был достаточно широк, но больше всего его занимало изучение гидрогеологии месторождений каменной соли, соляного карста и соляных озер. Последние его книги так и назывались — «Соляной карст СССР», «Соляные озера…», «Кара-Богаз-Гол». Надо сказать, что вместе с Н. И. Толстихиным он составил в 1937 году первую карту минеральных вод СССР. На протяжении ряда лет Алексей Иванович работал и жил в Сибири (Западной и Восточной), а в последние годы активно участвовал в проведении совещаний по подземным водам Сибири и Дальнего Востока.
По интенсивности водной миграции в зоне гипергенеза, как установил академик Б. Б. Полынов, химические элементы образуют несколько рядов водной миграции, что как раз и объясняет различную растворимость указанных выше пород. Энергично выносятся хлор, бром, сера. Меньше интенсивность выноса из пород у натрия, кальция, магния, фтора. Еще менее подвижны калий, кремний, фосфор, марганец. Наконец, такие элементы, как, скажем, титан или цирконий, практически инертны по отношению к водной миграции.
Что же из этого следует? Анализ показывает, что в зоне гипергенеза сохраняются залежи наименее подвижных элементов. Наоборот, скопления энергично выносимых элементов разрушаются подземными водами, при этом элементы мигрируют не изолированно, а в соединениях друг с другом. Когда, скажем, выносится хлор, то одновременно уходит и эквивалентное количество натрия.
Из других гипергенных процессов, в которых вода играет ведущую роль, можно назвать биогеохимические и мерзлотные. Совершенно особый процесс в зоне гипергенеза — упомянутая уже хозяйственная деятельность человека. С точки зрения гидрогеолога он обусловлен, во-первых, закачкой воды в недра и, во-вторых, извлечением ее оттуда.
О последствиях первого процесса мы уже говорили, поэтому коснемся лишь геологических последствий извлечения воды из недр Земли.
Опускание территории и даже подъем уровня мирового океана — таков неутешительный итог все прогрессирующего отбора подземных вод. Это, вероятно, наиболее важный результат непреднамеренного воздействия человека на геологическую среду.
Глубина депрессионных воронок вокруг некоторых городов и горно-промышленных центров превышает 50– 100 метров. Снижение уровня воды порождает оседание земной поверхности. Но имеется и другой, пожалуй, неожиданный аспект этой проблемы — подъем уровня океана. Согласно подсчетам доктора геолого-минералогических наук И. Г. Киссина, за последние полстолетия подземные воды обеспечили 20 % прироста уровня воды Мирового океана (0,36 миллиметров в год от ежегодного повышения на 1,7 миллиметра).
Оседание поверхности из-за прогрессирующего отбора подземных вод особенно наглядно наблюдается на участках распространения рыхлых отложений, которые в черте крупных городов уплотняются затем под действием зданий и сооружений. Таковы, например, основания городов Мехико, Токио или Венеции, откуда длительное время откачиваются подземные воды. В Мехико осадка грунта достигла 6–8 метров. Для наглядности в городе сохраняется облицовка колодцев, построенных еще ацтеками, — они торчат на 5–6 метров выше современной поверхности. Но хуже всего, пожалуй, дело обстоит в Венеции. Над ней нависла угроза быть затопленной морем, если не прекратится неумеренная эксплуатация месторождения подземных вод, находящегося буквально под самым городом.
Роль воды при литогенезе и метаморфизме. Осадочное породообразование, называемое литогенезом, начинается с выпадения рыхлого осадка в водоеме и заканчивается его превращением в кристаллическую породу. На всех стадиях литогенеза и продолжающего его метаморфизма осадок и порода испытывают воздействие воды. По существу, осадочное породообразование заключается в высвобождении связанной воды по мере роста глубины и увеличения давления. В случае превращения ила в глинистый сланец количество воды уменьшается от 90 до 1% и менее.
Характер преобразования породы определяется стадиями литогенеза, которые называются диагенез, катагенез и метагенез. Они последовательно сменяют друг друга по мере погружения породы.
Диагенез — дословно «перерождение», то есть превращение рыхлого осадка в плотную породу с полной потерей иловых и отчасти поровых вод. При взаимодействии осадка с подземными водами происходят сложные процессы растворения неустойчивых соединений, выделение минералов из подземных вод, обменно-адсорбционные реакции, гидратация и дегидратация минералов, перекристаллизация солей и цементация осадка. На диагенез существенно влияют биогеохимические процессы и окислительно-восстановительная среда подземных вод.
Если диагенез характерен для приповерхностных условий, то катагенетические (ката- «вниз») изменения — это те, которые вызваны увеличением давления (от 100 до 500 атмосфер и более) и температуры (от 50 до 200°). Что же получается? Происходит сильное обезвоживание породы путем удаления как поровой, так и кристаллизационной воды. На этой стадии порода еще не утратила черты нормального осадочного образования, но слабее испытывает влияние внешнего поверхностного воздействия. Геохимическая деятельность подземных вод выражается в образовании новых минералов и разложении достаточно стойких химических соединений; в раствор переходят даже малоподвижные элементы, многие соли и газы — углекислота, сероводород, метан.
Метагенез (мета — «после») — протекает на больших глубинах, где с породами взаимодействуют газово-жидкие растворы. Под действием высоких давлений (до 1500 атмосфер и более) и температур (200–450°) происходит структурная переработка осадочных пород, в которых остается прочно связанная с породой вода. Влияние газово-жидких растворов находит отражение в окварцевании, мраморизации, а также перекристаллизации пород.
С литогенезом связаны осадочное рудообразование и формирование нефтегазовых залежей. И тут, как будет далее показано, ведущая роль принадлежит воде!
Метаморфизм — комплекс высокотемпературных изменений горных пород — происходит только с участием воды. Он придает породам кристаллическое состояние. Вода при этом присутствует «в избытке»; если же ее нет, как считают многие знатоки метаморфизма, процесс прекращается. Более того, каждому типу метаморфизма присущ отличный от другого характер взаимодействия в системе порода — вода.
При метаморфизме пород вода выполняет важные функции, которые академик В. И. Смирнов сводит к следующему. Во-первых, пары воды развивают высокое давление, обусловливая соответствующее течение этого процесса. Как показал академик Д. С. Коржинский, не масса воды, а вызываемое ею давление играет ведущую роль в возникающей ассоциации минералов и тем самым определяет стадию минералообразования. Во-вторых, она понижает температуру самого процесса. В-третьих, многократно ускоряет ход преобразования пород; в сущности, вода — катализатор всех этих реакций. В-четвертых, увеличивает кристаллизационную способность минералов, то есть ускоряет их выделение. Наконец, в-пятых, выступает в роли активного растворителя химических соединений, участвующих в метаморфизме.
Описанным процессом охвачены громадные массы осадочных и магматических пород. В общей сложности, согласно подсчетам академика А. В. Сидоренко и его учеников, за геологическую историю Земли при метаморфизме высвобождено количество воды, равное по массе объему наземной гидросферы.
Однако процесс последовательного преобразования пород заключается не только в высвобождении воды. Имеет место и обратная картина — вовлечение подземных вод метеорного, магматического или морского генезиса в породообразование. В частности, оно наблюдается и подтверждено изотопными исследованиями для так называемого регрессивного метаморфизма.
Деятельность воды в магматическом цикле. Как и при метаморфизме, вода активно участвует в магматических процессах. Обладая высоким потенциалом энергии, она сильно влияет на фазовые равновесия в магматических системах и физические свойства силикатных расплавов, в связи с чем играет самую ответственную роль при образовании и дифференциации магмы.
Функции воды в магматическом цикле таковы. Во-первых, опа, о чем только что говорилось, является одним из главных энергетических источников магматизма. Во-вторых, присутствие воды — наиболее вероятная причина плавления мантийного вещества. В-третьих, вода вызывает существенное изменение физических свойств магмы, влияя тем самым на ее подвижность и реакционные свойства: добавление ее снижает вязкость и повышает интенсивность массопереноса. В-четвертых, она представляет основной летучий компонент, резко понижающий температуру плавления силикатных пород. В-пятых, определяет последовательность кристаллизации магмы и состав выплавок. Наконец, в-шестых, изменяет течение процесса в случае проникновения ее в магму из боковых пород.