Пресные воды подземной гидросферы

Существенную роль в процессах биосферы играет и так называемая подземная гидросфера. Пресные воды после ледников вносят основной вклад в общий баланс пресной воды на планете. Обширные запасы подземных вод находятся в верхней части земной коры, на разной глубине под почвой. Эти воды местами пропитывают рыхлые или трещиноватые горные породы, образуя водоносные пласты. Большая часть подземных вод в верхних водоносных пластах образуется в результате просачивания через почву и грунт атмосферных осадков. Некоторая часть подземных вод может образоваться в результате соединения выделившихся из магмы кислорода и водорода. Такие воды аналогично синтезированным в живых организмах называют ювенильными, или юношескими, т. е. впервые вступающими в общий влагооборот земного шара. Достоверных сведений об общем объеме их в балансе влаги Земли пока не имеется.

Горные породы по гидрологическим свойствам разделяют на водопроницаемые и водоупорные. Наибольшей водопроницаемостью обладают рыхлые породы — пески, галечники и трещиноватые известняки. Водоупорными, или водонепроницаемыми, являются глины и монолитные скальные породы. Водоносные пласты образуются в водопроницаемых породах, лежащих на водоупорных, задерживающих дальнейшее движение подземных вод вниз.

К естественным запасам подземных вод обычно относят объем свободной — химически не связанной, движущейся главным образом под влиянием силы тяжести — воды, которая содержится в порах и трещинах горных пород, слагающих земную кору. Пресные воды, как правило, залегают до глубины 150 — 200 м, ниже они переходят в солоноватые воды и рассолы. Имеется предположение, что до глубины 200 м объем пресных подземных вод составляет 10,5 млн км³ — это примерно в 100 раз больше, чем объем поверхностных пресных вод, содержащихся в озерах, руслах рек и болотах. Даже самая сухая почва обязательно содержит некоторое количество влаги в виде гигроскопической воды, а также водяного пара. Частицы почвы удерживают на себе отдельные, изолированные молекулы воды, которые иногда сливаются, образуя пленку толщиной в 1 — 2 молекулы. Эта гигроскопическая вода поглощается сухой почвой из воздуха, не подчиняется силе тяжести и может быть удалена из почвы только путем нагревания до 100? С. Когда толщина пленки становится больше, вода называется пленочной. Между частицами почвы, окруженными слоем пленочной воды, находится воздух. Пленочная вода под действием сил молекулярного притяжения перемещается от толстой пленки к тонкой.

Мельчайшие капиллярные промежутки между частицами почвы иногда заполнены капиллярной водой, которая под действием капиллярных сил может подниматься вверх от сплошного слоя подземной воды. Вода, заполняющая крупные промежутки в почве, не удерживается капиллярными силами и свободно стекает вниз в виде струек и капелек. Это гравитационная вода. В воздухе, заключенном в порах между частицами почвы, влага содержится в виде водяного пара. Практически почти вся почвенная влага находится в верхнем двухметровом слое почвы и подпочвы. Влажность этого слоя в среднем составляет 10% (по весу), что соответствует слою воды 0,2 м.

Контрольные вопросы.

• 1. Какие свойства горных пород предопределяют наличие подземных вод?
• 2. В каких формах может находиться подземная вода?
• 3. Какие формы передвижения гравитационных подземных вод Вы знаете?
• 10. Дайте общую характеристику подземной гидросферы.
• 11. В чем состоят гидродинамические различия между пленочной, капиллярной и гравитационной водой?
• 12. В чем различие между средним элементным составом поверхностных пресных вод суши и Мирового океана?
• 13. Чем регулируется рН речных и озерных вод?
• 14. Какие факторы определяют жесткость природных вод?
• 2. Химия пресных поверхностных вод

Озера.

Озера — это водоемы, не имеющие прямой связи с системой Мирового океана. Они распространены на равнинных и горных территориях, во влажных и засушливых, холодных и жарких гидротермических условиях. Суммарная площадь озер составляет 2% площади суши.

По химическому составу воды озер в самом первом приближении можно разделить на пресные и соленые. Состав воды пресных озер обусловлен поступлением атмосферных и речных вод. В них концентрация солей невелика, а среди растворенных солей преобладают гидрокарбонаты кальция, содержание которых увеличивается по мере аридизации климата.

Соленые воды крупных озер (типа Каспийского и Аральского) являются реликтовыми морскими. В условиях засушливого климата по причине интенсивного испарения повышается концентрация солей, что приводит к образованию мелководных соленых озер, ярким примером которых могут служить озера Эльтон и Баскунчак, расположенные в низовьях Волги, Великое Соленое озеро в полупустынях Дальнего Запада США, озеро Эйр в пустынной Центральной равнине Австралии. В то же время соленые озера существуют и в холодных гумидных областях, в местах близкого расположения соленосных отложений (например, озеро Соленое близ г. Сольвычегодска) или на участках разгрузки соленосных подземных вод (например, Кулойские озера в бассейне реки Пинеги).

В составе солей доминируют хлориды натрия, магния, кальция и сульфаты натрия и магния. Наиболее часто встречаются соленые озера, с преобладанием хлоридов натрия и примесью других солей, либо горько-соленые, с преобладанием сульфатов натрия и хлоридов кальция. Значительно реже встречаются содовые озера, содержащие гидрокарбонат и карбонат натрия. Таким составом обладают многие озера Кулундинской и Барабинской степей Западной Сибири. Некоторые содовые озера обязаны своим составом влиянию поствулканических процессов, например, озеро Магади в Кении, из которого добывается самосадочная сода (трона).

Большой интерес представляют соленые озера, в которых среди растворимых соединений присутствуют соли борной кислоты. Такие озера приурочены к резко аридным областям и известны в Иране, Тибете, в полупустынных районах США (штаты Калифорния, Орегон и Невада), в пустыне Атакама в Чили и других вулканических пустынях Южной Америки. Крупное борное озеро Индер находится в Прикаспийской низменности.

Среди осадков, образующихся на дне озер в результате химических и физико-химических процессов, для пресноводных озер холодного и умеренного климата характерно образование конкреций, состоящих из минералов гидроксидов железа. В гумидных тропических ландшафтах к ним часто добавляются конкреции из минералов гидроксидов алюминия. В озерах, имеющих подток подземных вод гидрокарбонатного состава, накапливаются глинисто-карбонатные отложения так называемого болотного мергеля. В несоленых озерах аридных территорий — в степных, сухостепных и полупустынных ландшафтах — повсеместно происходит осаждение мелкокристаллического кальцита, цементирующего обломочные частицы или образующего крупные конкреции. В соленых озерах при высокой концентрации растворимых веществ, близкой к насыщенным растворам, происходит кристаллизация соответствующих солей.

Среди биогенных осадков следует отметить скопления кремнистых (опаловых) панцирей одноклеточных диатомовых водорослей, образующих диатомовые илы. Ареал распространения диатомовых водорослей очень широкий, поэтому диатомовые илы встречаются в озерах как холодных гумидных ландшафтов (озера Кольского полуострова), так и в более теплых условиях (озеро Севан в Армении), а также в тропических странах (озеро Танганьика в Африке). Характерным биогенным осадком небольших озер гумидных областей является сапропель (от греч. sapros — гнилой, pelos — глина, грязь). Он представляет собой органический ил, в значительной мере состоящий из останков одноклеточных зеленых и сине-зеленых водорослей, которые разлагаются на дне без доступа кислорода. Иногда здесь образуются черные аморфные скопления сульфида железа.

Отложения озер имеют важное практическое значение. Железо-оксидные конкреции озер Восточно-Европейской равнины с отдаленных времен до середины XIX в. использовались для выплавки железа. Конкреции оксидов железа и алюминия (бокситы), образованные в тропических озерах, служат алюминиевой рудой. Длительное время разрабатываются накопления соды, кристаллизующейся в крупных содовых озерах Северной и Южной Америки, Африки, Тибета и Ирана. Также производится разработка борсодержащих солей, осаждающихся в пустынных борных озерах. Диатомовые осадки (диатомит) используются в промышленности, а отложения сапропеля — в бальнеологических целях и в качестве удобрения.

Болота — это ландшафты с избыточным увлажнением, специфической влаголюбивой растительностью и процессом образования торфа. Хотя болота содержат от 90 до 97% воды и всего несколько процентов сухого органического вещества, они не могут рассматриваться как водоемы, так как преобладающая часть воды связана органическим веществом торфа и растительностью. Существуют два основных пути образования болот — зарастание озер и заболачивание суши. Эти процессы могут развиваться на разных элементах рельефа, но для образования значительных аккумуляций торфа необходимы определенные климатические и гидрохимические условия.

Торф — скопление слабо разложившихся остатков болотных растений: мхов, трав, кустарников, отчасти деревьев. Благодаря тому, что растительные остатки насыщены водой, их преобразование протекает в условиях дефицита кислорода. При этом происходит сложная трансформация органических соединений, в результате которой исходные органические вещества обогащаются углеродом. Трансформационные процессы в значительной мере обусловлены микробиологической деятельностью. Условия, подавляющие деятельность микроорганизмов, равно как условия, способствующие быстрому разрушению растительных остатков, препятствуют образованию торфа и его накоплению.

Болота разнообразны; в первом приближении их можно разделить на две большие группы континентальных (низинных и верховых) и приморских болот.

Многие низинные болота образовались в результате зарастания мелких озер. Торф низинных болот обогащен минеральными веществами. При сжигании содержит большое количество золы, а на дне таких болот в условиях дефицита кислорода образуются неполноокисленные соединения двухвалентных железа и марганца в виде карбонатов и фосфатов. При доступе кислорода железо и марганец быстро окисляются и происходит трансформация соединений за счет увеличения степени окисления металлов и образования их оксидов и гидроксидов. Скопления оксидов железа в виде конкреций различной формы известны как болотные руды.

Торф верховых болот низкозолен и широко используется как энергетическое сырье.

Весьма своеобразны лесные болота приморских низменностей тропических и субтропических стран, распространенные на побережьях Флориды, Центральной Америки, островов Карибского бассейна, Юго-Восточной Азии. Поверхность этих низменностей постоянно или во время приливов залита водой, по причине чего у деревьев выработались особые корни для газообмена, находящиеся над водой. Тропические приморские лесные болота называются манграми. Крупные аккумуляции торфа для мангров нетипичны, хотя есть сведения о мощных (до 10—12 м) скоплениях древесного торфа в отдельных местах на островах Индонезии.

Реки. Пресные поверхностные воды очень важны для человека, поскольку они являются единственным надежным источником питьевой воды.

Сравнение состава вод двадцати крупнейших рек Земли дает представление о среднем глобальном химическом составе речных вод. Такое сравнение позволяет выделить три особенности:

1. В растворенном состоянии в химическом составе пресной воды преобладают четыре металла, присутствующие в виде простых катионов (Са²⁺, Na⁺, K⁺ и Mg²⁺).