Строение подземной гидросферы

Вода в геосферах Земли

На Земле выделяют 4 геосферы: 1) атмосфера, 2) гидросфера, 3) литосфера, 4) биосфера. Кроме собственно «водяной» сферы – гидросферы вода охватывает и все остальные оболочки, она отмечается всюду и в атмосфере и в литосфере, а биосфера на ¾ состоит из воды. Академик Ф.П. Саваренский в гидросфере выделил наземную и подземную (литосферные воды) гидросферу и рекомендовал не отрывать (изолировать) их друг от друга. Всего на Земле содержится более 2,5 млрд. км³ воды: в наземной гидросфере 1,4 млрд. км³, в земной коре – 1,1 млрд. км³. Вода биосферы составляет примерно половину общего годового речного стока. В атмосфере содержится свыше 500 тыс. км³ воды. Воды всех геосфер имеют тесную связь, между ними существуют балансовые равновесия и взаимообусловленность. Воды постоянно переходят из одной геосферы в другую.

В вертикальном разрезе подземной гидросферы условно выделяют (сверху вниз) 3 зоны:

1) зона аэрации;

2) зона насыщения;

3) зона надкритического состояния воды.

Рис. 1. Строение подземной гидросферы.

1- криолитозона, 2- зона насыщения, 3- зона воды в надкритическом состоянии, 4- верхняя мантия, 5- граница между осадочным и гранитным слоями, 6- раздел Конрада (отделяет гранитный слой от базальтового), 7- поверхность Мохоровичича (Мохо).

Зона аэрации расположена вблизи поверхности Земли. В ней все поры и пустоты заполнены воздухом и водяным паром и спорадически (после выпадения дождей и в период снеготаяния) через нее происходит просачивание атмосферной влаги. Здесь формируются временные скопления подземных вод, называемые верховодкой.

Зона насыщения имеет водонасыщенность всех пор и трещин и постоянно существующие горизонты грунтовых вод, область питания которых совпадает с областью распространения, а также артезианские воды, которые имеют отдаленную область питания.

Зона надкритического состояния воды располагается в самых нижних горизонтах земной коры при температурах около 400⁰С и давлении более 218 атм. За счет повышенной минерализации критическая точка воды значительно превышается. Вода превращается в субстрат с плотностью примерно 1 г/см³, а скоростью движения молекул, как у газа.

Ученые из Германии и Новой Зеландии обнаружили самую горячую подземную воду на планете. Температура так называемой сверхкритической жидкости в гидротермальных источниках на дне Атлантического океана составляет 407 градусов по Цельсию. Работа ученых опубликована в журнале Geology.

При увеличении давления и температуры вода переходит из жидкого состояния в газообразное. Однако при достижении определенных критических значений обоих параметров вода приобретет новые свойства, не характерные ни для газов, ни для жидкостей. Так, вещество в этом состоянии является более плотным, чем газ (и для него не соблюдаются газовые законы), но менее плотным, чем жидкость (и обладает иными свойствами).

Ученые умеют получать сверхкритическую жидкость в лабораторных условиях, однако в природе воду в таком состоянии до сих пор обнаружить не удавалось. Группа исследователей обнаружила гидротермальные источники в Атлантическом океане к югу от экватора. Измеряя температуру воды, вырывающуюся из источника, ученые получили значение 407 градусов по Цельсию. В короткие моменты после выброса (около 20 секунд) жидкость сохраняла температуру до 464 градусов по Цельсию.

Компьютерное моделирование показало, что перед тем, как выйти из-под поверхности, вода в этих источниках проходит по трещинам в морском дне, которые уходят достаточно глубоко и прогреваются от магмы. Именно в трещинах нагретая до 407 градусов вода, находясь под давлением в 300 бар (296 атмосфер), переходит в сверхкритическое состояние.

Вода в таком состоянии вымывает металлы и другие элементы из горных пород гораздо лучше, чем в жидком. Вместе с водой из-под поверхности в океан вырываются золото, медь, железо, сера, марганец и некоторые другие. Из-за сульфидов (солей серы), оседающих вокруг источников, вода и камни окрашиваются в черный цвет. Поэтому такие гидротермальные источники получили название «черных курильщиков». В данной работе ученым удалось обнаружить самую горячую воду в «черных курильщиках» Две Лодки (Two Boats) и Сестринский Пик (Sisters Peak).

4. Понятие «Геологический круговорот воды»

В отличие от гидрологического круговорота воды, совершаемого в приповерхностной части Земли и характеризующегося геологически мгновенным временем, геологический круговорот обусловлен непрерывным движением земной коры в вертикальном и горизонтальном направлениях. Он совершается в более глубоких оболочках земной коры и верхней мантии (различные термодинамические зоны). Поэтому В.И. Вернадский отождествлял геологический круговорот воды с первичными круговыми процессами земной коры. Выделяют 3 этапа геологического круговорота: седиментационный, метаморфический и магматический.