Загальні особливості умов формування режиму та балансу ґрунтових вод.

Під гідрологічним колообігом води, або водним (гідрологічним) циклом, розуміють безперервний процес переміщення води, який супроводжується її фазовими перетвореннями і має більше чи менше виражену циклічність. Колообіг забезпечує постійний глобальний водообмін між атмосферою, гідросферою і літосферою.

Деякі дослідники вважають за доцільне розрізняти два типи глобального колообігу води – гідрологічний, визначений, головно, гідролого-метеорологічними чинниками і геологічний, безпосередньо пов’язаний з власне геологічними процесами.

Гідрологічний колообіг води в природі є замкнутим, порівняно короткотривалим циклом. Складниками, або елементами, цього циклу є випаровування – конденсація, опади і стік води. Роботу колообігу виконує теплова енергія Сонця, яка переносить величезні маси води в атмосферу, забезпечує їхнє переміщення з-понад океану на суходіл. Розрізняють великий і малий колообіги. За великого колообігу елементарна частинка води проходить повний шлях колообігу: “океан→ атмосфера над океаном→ атмосфера над суходолом→ суходіл→ океан”, а малий колообіг здійснюється між сусідніми елементами: „океан→ атмосфера над океаном→ океан або суходіл→ атмосфера над суходолом→ поверхня суходолу.

Щороку з поверхні океану, за даними (Гидрогеология, 1984), випаровується до 505 тис.км³ води, з яких 458 тис.км³ випадає назад в океан, а різниця в 47 тис.км³ переноситься над суходіл, де конденсується і випадає у вигляді атмосферних опадів. Крім того, з поверхні суходолу випаровується і пізніше конденсується 72 тис.км³ води, яка разом з перенесеною з-над океану складає сумарну кількість опадів на суходолі об’ємом 119 тис.км³. За різними оцінками в атмосфері постійно знаходиться 12, 9 тис.км³ води, ріки і озера вміщують 2, 1 тис.км³, континентальні льодовики і сніжники – понад 24 млн.км³ води, підземний лід зони багаторічної мерзлоти – 300 тис. км³ (табл. 11.).

Таблиця 11.

Світові запаси води (Гидрогеология, 1984)

Наведені в табл. 11 дані не вичерпують усього розмаїття видів і фазових станів води в надрах. Особливо це стосується значно нагрітої нижньої частини літосфери, де вода може існувати лише у надкритичному та хімічно зв’язаному станах. Певна кількість води у стані надкритичного флюїду міститься у мантії Землі, де її кількість оцінюють від 0, 5 до 1, 0 %. Загальна маса води в підземній частині гідросфери, за різними оцінками, коливається від (0, 3–0, 6)∙ 10²⁴ до 1, 1∙ 10²⁴г. Близько половини – 0, 41∙ 10²⁴г -–загальної кількості води у земній корі припадає на хімічно зв’язану воду, маса гравітаційної і фізично зв’язаної води становить близько 0, 48∙ 10²⁴г, а загальна кількість води в підземній гідросфері – близько 0, 9^.10²⁴г, або 900∙ 10⁶км³, тобто 67 % від об’єму води Світового океану.

На тривалість колообігу води впливає багато чинників. Опади можуть викликати затримку на шляху колообігу на різний час. Таку затримка називають ретенцією. Вона може тривати від кількох годин до десятків, сотень, тисяч та мільйонів років. Є кілька різновидів ретенції. Під поверхневою ретенцією розуміють тимчасову затримку води в калюжах, болотах, багнах тощо. Води озер і штучних водойм утворюють озерну або водосховищну ретенцію. Снігова ретенція триває взимку до відлиги. У Ґренландії, Антарктиді, на високих горах сніг поступово перетворює в лід льодовиків, зумовлюючи льодовикову ретенцію, яка триває десятки, сотні й тисячі років і навіть геологічні періоди. Різновидом ретенції є інтерцепція – нетривале затримання атмосферних вод на поверхні рослин. Деяка частина води, яку живі організми витрачають на біологічні процеси, становить органічну ретенцію. Води, які затримуються в ґрунтах, ріллі, гірських породах, зумовлюють ґрунтову або підземну ретенцію.

На відміну від гідрологічного, геологічний колообіг води залежить від геологічних чинників: геологічної будови і водних властивостей порід у глибинних зонах Землі, тектонічних процесів і пов’язаного з ними перетворення гірських порід у процесі еволюції за геологічні проміжки часу. Геологічний колообіг води вивчають у процесі палеогідрогеологічних досліджень. Він пов’язаний із седиментогенезою і літогенезою. Свіжо відкладений на дні басейну седиментації осад містить велику кількість води, до 80 – 90 % їхньої маси. За даними седиментологів, на дні морів і океанів щороку накопичується близько 26^.10⁹ т осадів, привнесених ріками, льодовиками, вітром, вулканами, морською абразією тощо. За середнього вмісту води у свіжому осаді 70 % їхньої маси, об’єм води, що зазнає захоронення з осадами, становитиме 60 км³ за рік. За початковий період існування осаду значна кількість цієї води повертається до басейну. Надалі, у випадку утворення достатньо потужної товщі, осад продовжує ущільнюватися, поступово перетворюючись у гірську породу. У цьому разі захоплені осадом води частково відтискаються в басейн, а частково насичують породи-колектори, що утворюються одночасно з глинистими шарами. Триває елізійний етап гідрогеологічного циклу (Карцев и др., 2001 та ін.). отже, ця частина води басейну седиментації буде вилучено з гідрологічного колообігу на геологічно тривалий термін, аж до зміни знака тектонічних рухів, регресії моря, залучення сформованих на його дні порід до зони гідрологічного колообігу. Цей процес може тривати від декількох мільйонів до десятків мільйонів років.

Тривалість інфільтраційного етапу зумовлена тривалістю періоду від регресії моря до нової трансгресії. За цей час інфільтрогенні, зазвичай прісні, води суходолу витісняють води таласогенні – відбувається інфільтраційний водообмін, який за нової трансгресії моря зміниться елізійним і т.д.

Тектонічні процеси можуть призвести до занурення осадових чи вулканогенно-осадових порід у зону метаморфізму, де під дією високих температур відбувається руйнування кристалічних ґраток більшості мінералів і вивільнення значних об’ємів хімічно зв’язаних вод. Метаморфізм гірських порід від фації зелених сланців до гранулітової супроводжується виділенням води, яка здатна, використовуючи зони підвищеної тріщинуватості земної кори, надходити у її верхні шари і змішуватися з водами іншого походження.

З мобілістичних позицій утворення океанічної кори пояснюють надходженням матеріалу з мантії Землі у рифтових зонах серединно-океанічних хребтів. Виливання магматичних розплавів супроводжується потоками флюїдів, що надходять на площу розповсюдження океанічної кори.

Під час субдукції океанічної кори відбувається вивільнення зв’язаної води, яка частково викидається на земну поверхню в процесі вулканічних вивержень або піднімається тріщинами в зонах розломів, а частково витрачається на формування континентальної кори. В процесі субдукції частина води, що збереглася під час плавлення океанічної кори, повертається у мантію.

З позицій загального водного балансу Землі геологічний колообіг води порівняно з гідрологічним важливого значення не має, проте безсумнівна його суттєва роль у геолого-геохімічних глибинних процесах. Зрештою, уся гідросфера Землі утворилась на ранніх стадіях її історії внаслідок дегазації мантії і стала єдиним джерелом формування усього розмаїття природних вод.

Глобальний баланс колообігу води характеризує рівновагу між кількістю атмосферних опадів і води, яка випаровує в атмосферу протягом року.

Його описує залежність

Р = Н + S + R, (121),

де P – атмосферні опади; H – cтік; S – випаровування; R – довготривала ретенція (утворення льодовиків, інфільтрація у глибокі надра тощо).

У цьому балансі не враховані надходження води з метеорною речовиною та втрати водню в космічний простір, однак масштаби цих процесів порівняно з іншими настільки незначні, що ними можна знехтувати.

Обчислення глобального балансу є орієнтовними через брак достатньої кількості спостережень за опадами і випаровуванням, з огляду на різні автори наводять дещо відмінні дані. Річний баланс глобального колообігу води за М.І. Львовичем наведений у табл.12.

Таблиця 12

Глобальний розподіл опадів і випаровування, тис.км³ і відсотки

Визначимо, яка частина від загальних ресурсів води на Землі бере участь у гідрологічному коло обігу.

Загальні ресурси води на Землі становлять приблизно 1 454 млн. км³. Оскільки річний колообіг води охоплює 0, 525 млн. м³, то в ньому бере участь 0, 525/1454= 0, 00036, або 0, 036% від загальної кількості води на планеті. Це пояснюють тим, що води глибоких шарів морів та океанів, а особливо підземні води глибоких надр перебувають у стані ретенції протягом дуже тривалого часу.

Хоч у колообігу бере участь незначна кількість загальних ресурсів води Землі, цей процес є порівняно швидким. Більшість дослідників досить одностайно оцінює об’єм води в атмосфері в 13 000 км³, що становить 1/40, 38 частину річного обігу води або атмосферних опадів. Звідси швидкість оновлення води в атмосфері становить, за даними М.І. Львовича, дев’ять днів (365 днів/40, 38).