Подземная вода

В глубинах планеты воды несравненно больше, чем на поверхности. Именно в недрах Земли находится источник, наполнивший моря и океаны. Речь идет о планетарном подземном резервуаре, в котором содержится 28,5 млрд. км³ воды! В 20 раз больше, чем в Мировом океане!

Воды планетарного резервуара рассредоточены в горных породах и глубинном веществе Земли. При их выплавлении и дегазации возникли наземные, атмосферные и близповерхностные воды. Они выделялись во время гравитационной дифференциации первичного вещества планеты. Так объясняется происхождение наземной гидросферы, из какой бы гипотезы образования Земли (горячей или холодной) мы ни исходили. В зависимости от давления и температуры вода в недрах Земли находится в различных состояниях.

Можно выделить пять таких состояний - пять крупнейших зон в пределах земного шара, на которые разделены подземные воды. Это главная закономерность их распределения в недрах планеты - на ее основе и построена физическая модель подземной гидросферы.

Первая гидрофизическая оболочка - геокриозона, или зона твердой воды. Ее верхняя граница - дневная поверхность, нижняя - уровень в земле, где происходит фазовый переход "вода - лед". На севере мощность этой зоны может достигать 1 км и больше. На юге она становится тоньше и в теплое время исчезает совсем. Геокриозона охватывает северные районы Евразии и Америки, распространена в Антарктиде. Не только лед составляет первую оболочку - в нее входят и жидкие рассолы, замерзающие при довольно низких температурах (например, раствор поваренной соли с концентрацией 300 г/мг замерзает ниже -20 °С). Эти рассолы путешествуют по геокриозоне. Некоторые ученые считают, что именно они порождают вечную мерзлоту.

Вторая гидрофизическая зона представлена "жидкой водой". Сверху эта зона ограничена слоями, в которых лед переходит в воду, снизу - слоями, где вода переходит в парообразное состояние. Мощность оболочки местами достигает 80 км, иными словами, в нее входит практически вся земная кора. Количество воды в ней составляет 2-1,2 млрд. км³ - почти столько же содержит Мировой океан.

Третья зона охватывает сферу распространения парообразных вод. Она ограничена слоями с температурами 450 и 700 °C и часто захватывает глубины до 160 км. Давление в ней достигает 50 килобар. В этой оболочке у воды разорваны водородные связи, ее молекулы свободны. Иногда "столб" паров третьей зоны прорывает земную кору насквозь и способствует вулканическим извержениям.

В четвертую зону входит оболочка, состоящая из мономерных молекул воды. Здесь температуры - 700-1000 °C, а давления на нижней границе - 100 МПа. Под островными дугами эта граница поднимается до глубины 30 км, а на континентах она опускается до 270 км от поверхности.

В четвертой зоне вода почти полностью диссоциируется, она более способна к миграции, чем обычная жидкая вода. На самой глубокой, пятой, зоне температурные уровни 1100 и 3700 °С. Эта область простирается до глубины 2900 км - до земного ядра и охватывает всю мантию Земли. Тут давление возрастает до 1 200 МПа. В таких адских условиях вода полностью диссоциирована на атомарные водород и кислород и чрезвычайно уплотнена. По-видимому, в металлизированном ядре Земли деформированы электронные оболочки атомов.

Так построена, по мнению профессора Ф. Макаренко, подземная гидросфера, в которую входят все свободные воды. Физически и химически связанные воды - тема специального исследования.

Зональное расслоение воды с глубиной оказывает большое влияние на ход различных земных процессов и образование полезных ископаемых. Ведь вода растворяет все вещества Земли и несет в себе огромные запасы энергии. Она является важнейшим, если не главным распределителем тепла внутри земного шара: вода выделяет и поглощает его во время синтеза и распада соединений и химических реакций. Из земных недр вода ежегодно выносит 40¹⁸ Дж, а в земной коре она запасла не менее 18 × 40²⁶ Дж. Это - резерв энергетики будущего!

Современная техника не позволяет проникнуть на большие глубины. Сегодня удается использовать лишь воды осадочной оболочки Земли, находящиеся на глубине 4-5 км. Но как раз здесь скрыты наиболее важные для жизни источники воды: питьевой, для промышленных нужд, содержащей ценные химические элементы, а также воды, пригодной для использования в теплоэнергетике.

Гидрогеологи усиленно изучают подземные воды на территории Советского Союза. Выделены многие районы, богатые термальными водами. Например, на Камчатке и Курильских островах разведаны выходы кипящих вод и пара. Их температура иногда достигает 300 °С. На горячих подземных водах уже работает Паужетская геотермальная опытная электростанция. Всего же на Камчатке имеются четыре района, пригодных для строительства таких электростанций общей мощностью в сотни тысяч киловатт.

Исследования показывают, что геотермальные электростанции выгодно строить на горячих и перегретых артезианских водах, например в Восточном Предкавказье, около городов Майкопа, Ташкента, Алма-Аты, Красноводска, на полуострове Челекен, в Бурятской АССР, в северных районах. Те же источники годятся для теплоснабжения населенных пунктов.

Около Паратунских источников (г. Петропавловск-Камчатский) построен один из крупнейших в мире теплично-парниковый комбинат полезной площадью 60 тыс. м². Обогревают его термальные воды. Подобные теплицы созданы и создаются также в Тюменской области, Дагестане, Чечено-Ингушской АССР.

Большие территории СССР занимает вечная мерзлота. Она захватила полуостров Таймыр, Якутию, Колыму, Чукотку, где найдены месторождения золота, олова, алмазов и т. д. Давняя проблема в этих местах - оттаивать мерзлую землю круглый год для разработки полезных ископаемых. Для этой цели вполне пригодны подземные воды с температурой от +25 до +30 °С. Из артезианских пластов они будут изливаться сами через скважины. Другой способ - закачивать холодные воды на глубину, чтобы они там нагревались до нужной температуры. А затем поднимались наверх - оттаивать мерзлый грунт. Для этого достаточно пробурить две скважины. На определенной глубине их соединить с помощью направленного взрыва - так появится трубопровод для круговорота воды сверху вниз и обратно. Такие системы при правильном расчете теплового баланса будут работать практически бесконечно.

Многие термальные воды - это, в сущности, жидкая руда. На полуострове Челекен, например, они выносят каждый год на поверхность сотни тонн свинца, цинка, меди и других ценных элементов. Можно извлекать йод и бром из подземных вод Западно-Сибирского и Иркутского бассейнов. Из высокотемпературных вод и парогидротерм Камчатки и Курильских островов удастся добывать серу, бор, бром, рубидий, мышьяк...

Изучение и освоение подземной гидросферы сейчас расширяются. Любые усилия в этом направлении оправданы: ресурсы подземных вод на территории СССР практически неисчерпаемы.