В сложном круговороте воды наименее изучены подземные звенья. Они разнообразны и труднее доступны для наблюдения. Тем не менее для любых разновидностей подземных вод, несмотря на их кажущееся различие, мы видим неразрывность и неделимость: йода из одного состояния переходит в другое. И так вплоть до мантии, причем всякое изменение количества воды в Земле, где-либо происходящее, неизбежно отражается на общей массе подземной гидросферы или гидросферы Земли в целом. В подземной гидросфере, таким образом, все виды Н2О находятся в равновесном состоянии, образуя систему «пар лед вода связанная вода свободная».
Равновесие в этой системе обратимое. Если в каком-то месте количество Н2О убывает, то где-то в другом оно возрастает на точно такую же величину. Кроме того, компоненты подземной гидросферы тесно связаны не только с горными породами, но и с живым веществом, атмосферой, космосом и мантией.
Классические представления о круговороте воды в природе, знакомые из школьных учебников, описываются уравнением водного баланса: X = Y + Z, где X — атмосферные осадки, Y — сток (поверхностный и подземный), Z — испарение.
Такова общая схема гидрологического круговорота воды. В ней различают большой и малый круговороты. При большом круговороте (см. рис. 5) водяные пары, образовавшиеся в результате испарения над поверхностью морей и океанов, переносятся на сушу, где выпадают в форме дождя или снега, затем вода снова попадает в моря и океаны через поверхностный или подземный сток. Малые круговороты носят локальный характер и реализуются в пределах сравнительно небольших участков суши или океана. Насколько велики цифры водного баланса земного шара и территории СССР, видно из табл. 3.
Гидрологический круговорот обеспечивает водообмен внутри водоемов, а также взаимосвязь наземных и подземных вод. Темп водообмена для отдельных видов природных вод самый различный (см. табл. 1).
Если полный водообмен в океанах, ледниках и глубоких водоносных горизонтах происходит очень медленно — в течение тысячелетий и даже миллионолетий, то верхняя (до глубин 0,3–0,5 километра) подвижная часть подземных вод, которая активно взаимодействует с поверхностными водами, обновляется в среднем 3 раза в тысячелетие. Ресурсы почвенной влаги и неглубоких водоносных горизонтов заменяются почти ежегодно. Еще быстрее происходит смена воды в реках (за 12 суток) и атмосфере (за 10 суток). Высокая подвижность речных и атмосферных вод, несмотря на незначительный объем (тысячные и стотысячные доли процента от всей массы гидросферы), выдвигает эти две составляющие в число основных элементов водного баланса Земли.
Однако традиционный гидрологический круговорот, происходящий по схеме «осадки — сток (поверхностный и подземный) — испарение», охватывает только верхнюю часть земной коры, которую принято называть зоной интенсивного водообмена. Вода с поверхности хотя и проникает на более значительные глубины, в зоны замедленного и весьма затрудненного (пассивного) водообмена, но темп водообмена там заметно падает, возобновление совершается, как уже отмечалось, за тысячелетия и даже мидлионолетия.
Неполнота такого представления о круговороте в последние годы стала очевидной; оно далеко не отражает всего многообразия движения воды в земной коре, особенно в глубоких ее частях. Наиболее удачную модель всеобщего круговорота воды предложил в 1980 году томский гидрогеолог С. Л. Шварцев. В ней наряду с гидрологическим выделяется геологический круговорот, обусловленный участием воды в различных геологических процессах — седиментации, литогенезе, метаморфизме, магматизме. Оба круговорота связаны друг с другом (рис. 5). В отличие от достаточно сложного гидрологического, геологический круговорот еще более сложен. Он совершается преимущественно на глубинах и в различных обстановках. В нем выделяются три этапа (осадочный, метаморфический, магматический), каждый из которых в какой-то мере самостоятелен. Вместе с тем геологический круговорот связан и с наземной гидросферой. Обмен водой происходит также между земной корой и мантией, хотя о его балансе пока судить трудно.
Рис. 5. Так представляется взаимодействие гидрологического и геологического круговоротов воды в природе.
Из каких компонентов состоит подземная гидросфера? Впервые классификацию разновидностей воды в почвах и горных породах дал А. Ф. Лебедев. Применительно к гидрогеологии в целом на основании его классификации и современных представлений различается шесть главных компонентов подземной гидросферы:
вода в форме пара;
вода в твердом состоянии;
физически связанная вода;
свободная вода;
вода в надкритическом состоянии; химически связанная вода.
В пространстве между земной поверхностью и постоянным уровнем подземных вод водяной пар заполняет незанятые жидкой фазой пустоты горных пород. Проникая сверху, он конденсируется и образует физически связанную и свободную («жидкую») воду. Этот слой водяного пара — мощность его обычно не превышает нескольких метров, но прослеживается он почти под всей сушей — только незначительная часть парообразной воды Земли. Вероятно, больше горячего пара: он образуется при выходе перегретых вод (с температурой от 100 (а в горах даже ниже) до 374–450 °C) на поверхность Земли в гейзерах и вулканах или встречается в виде пароводяной смеси. При надкритических значениях температуры (374 °C для «чистой» воды и 450 °C для водных растворов) и давления (более 218 атмосфер) различия между жидкостью и паром стираются: в этом случае молекулы приобретают скорость газа, а плотность становится близкой к единице, как у «жидкой» воды.
Льда в земной коре не так много. Однако и не мало, поскольку он встречается не только в сезонно-мерзлом слое, а главным образом в толще вечномерзлых пород. Мощность же последних местами достигает 1,5 километра, да и распространены они на большой территории (47 % площади Советского Союза). Встречаются мерзлые породы также под дном северных морей. В мерзлом состоянии вода образует кристаллики, жилы или прослои льда, иногда бугры с растущим (за счет подтока воды снизу) ледяным ядром — гидролакколиты.
В одной из детских сказок великан пытается выжимать воду из камня. Возможно ли это? Оказывается, очень легко. Если взять в руку кусок мерзлой горной породы, вода выделяется уже от тепла ладони…
Физически связанная вода находится в той или иной степени взаимодействия с частицами породы, на основании чего она разделяется на прочносвязанную (гигроскопическую) и рыхлосвязанную (пленочную). Ее может быть много, как в донном иле, и мало, что мы видим в уплотненном или высушенном суглинке. Влажность — количество физически связанной воды от общего объема породы — тем больше, чем меньше минеральные частицы. Особенно велика (более 50 %) влажность глин.
Хорошо связана с минеральными частицами гигроскопическая влага: она в виде молекул водяного пара сконцентрирована на их поверхности. Менее прочно удерживается пленочная вода, которая образует как бы вторую пленку поверх гигроскопической влаги. Отделиться вода от частицы породы может только в том случае, если силы притяжения по мере роста толщины пленки ослабнут и начнут преобладать «растягивающие усилия», обусловленные земным притяжением.
Физически связанная вода удаляется из породы путем высушивания или отпрессования. Как показали экспериментальные исследования, при давлении 3000–5000 килограммов на квадратный сантиметр почти вся рыхло- и прочносвязанная вода глин способна переходить в свободное состояние. Эта вода отпрессовывается из микрокапиллярных пор горных пород и поэтому называется поровым (горным) раствором. В естественных условиях поровые растворы постоянно выжимаются при уплотнении осадочных толщ.