"Вернадский: жизнь, мысль, бессмертие" - читать интересную книгу автора (Баландин Рудольф Константинович)

ГИДРОГЕОХИМИЯ И ГИДРОГЕОТЕРМИЯ

«Зарождение геохимии подземных вод, или, как сейчас принято называть, гидрогеохимии, можно датировать 1929 г., когда В. И. Вернадский в известном докладе в Российском минералогическом обществе впервые сформулировал содержание этой отрасли».

Так писал известный советский гидрогеолог А. М. Овчинников, подчеркнув, что его труд посвящен новой науке, «создавшейся под влиянием замечательных идей академика В. И. Вернадского».

Подземные воды — объект гидрогеологии. Воды надземные, атмосферные изучает метеорология. Всемирный океан — объект океанологии. Гидрологи исследуют поверхностные воды: реки, озера. Научные интересы гляциологов сосредоточены на поверхностных льдах Земли, а мерзлотоведов — на льдах подземных.

Однако как бы мы ни дробили земные воды, изучая порознь их отдельные группы, водотоки и водоемы, все это будет нашим произволом, условностью, облегчающей познание деталей, но скрывающей от нас важнейшее обстоятельство: единство всех природных вод планеты.

Наука, посвященная химии всех природных вод, — гидрохимия основана Вернадским, который особо отмечал единство всех вод Земли.

«Любое проявление природы — глетчерный лед, безмерный океан, река, почвенные растворы, гейзер, минеральный источник — составляет единое целое, прямо или косвенно, но глубоко связанное между собой», — писал Вернадский, обосновывая выделение особой области знания — гидрохимии.

Как ни сложно выделить новую область знания, значительно труднее доказать необходимость подобной процедуры. Могут найтись охотники конструировать науки по принципу составления сложных слов. Например, если есть биогеохимия и гидрогеохимия, то почему бы не сконструировать подобным образом термины: биогеофизика или гидрогеофизика? Или еще: атмогеохимия, атмобиохимия, гидробиохимия и т. д.

В принципе вовсе не исключено, что появятся науки о геохимии и геофизике газов Земли, геофизике природных вод и пр. Но обособятся они не потому, что кто-то придумал новый термин. Требуется прежде всего провести научное исследование, а уж как и кем будет найдено точное и благозвучное (это тоже важно!) название для нового учения — дело второстепенное. Недаром Вернадский был назван основателем гидрогеохимии, тогда как термин такой им не употреблялся (его впервые предложили несколько советских ученых, и в числе их А. М. Овчинников).

Вернадский не ограничивал, как мы знаем, геохимию природных вод конкретными пределами земной коры. Область распространения минерала, имеющего формулу $Н_2О$, — гидросфера охватывает и каменную оболочку планеты, и низы атмосферы, и, конечно, Мировой океан.

В земной коре существуют очаги расплавленной магмы. Магма может изливаться на поверхность или застывать на глубине. И никто из геологов не станет разграничивать изучение магм, находящихся в расплавненном или твердом состоянии. Просто отмечаются магматические породы и магма, из которой они образуются и в которую временами переходят, находясь на соответствующих глубинах.

Тот же принцип исследования применил Вернадский для воды, Он взглянул на нее как минералог. Ну и что, если в условиях, господствующих близ земной поверхности, минерал находится в жидком (преимущественно) состоянии? От этого он не перестает быть минералом.

«Природные воды, рассматриваемые как минералы, являются сложными динамическими системами равновесия, находящимися в теснейшей связи с окружающей их средой… Все, что происходит с любой водой в одном каком-нибудь месте, отражается в действительности на всей ее земной массе».

Обратим внимание на понятие динамического равновесия, которое часто использовал Вернадский для характеристики состояния сфер Земли. Почему не просто — равновесие? Ведь за миллионы лет все природные процессы должны как будто сбалансироваться между собой, прийти к полному равновесию. Нередко так и считается: человек, мол, нарушает равновесие природных процессов.

На примере природных вод ясно видно отсутствие каких-либо равновесии (кроме динамических) близ земной поверхности. Вода находится в постоянных круговоротах. Из атмосферы, где она присутствует в форме пара, попадает на поверхность земли, проникает в недра, захватывается минералами, входит в кристаллические решетки. С поверхности вода испаряется, под землей движется, рано или поздно выходя на поверхность. В минералах она сохраняется сравнительно долго, погружаясь вместе с ними в зонах прогибания земной коры на десять-двадцать километров. Там под влиянием высоких давлений и температур минералы преобразуются, изменяясь подчас неузнаваемо и теряя воду.

Кроме того, в приполярных районах вода, замерзая, превращается в лед (а точнее, в разновидности льда, так как лед бывает разный по структуре и физическим свойствам). А лед — самое настоящее кристаллическое тело, твердый минерал. Правда, он не слишком долговечен на Земле. За тысячелетия (самое большее за миллионы лет) он проходит цикл превращений в воду и водяной пар. Есть еще одно вместилище природных вод — живые существа. В них (в нас) вода, как известно, составляет более половины всей массы. Но и здесь она не задерживается надолго.

Вода находится в непрерывном движении, переходя из геосферы в геосферу, из минерала в минерал, из одного физического состояния в другое. Постоянный приток солнечной энергии — главная движущая сила этого круговорота, как, впрочем, и всех других круговоротов атомов и минералов на Земле. Если говорить о равновесии системы природных вод, то только о равновесии вихрей, круговоротов, движения. Вернадский особо выделил свойство текучести, изменчивости воды. Если взглянуть на Землю в ее сиюминутном состоянии, сделав как бы мгновенный фотоснимок, то отчетливо будут видны моря и океаны, реки и озера, облака и подземные воды. Но глаз геолога должен, кроме того, уходить в глубь миллионолетий. Для Вернадского, создавшего генетическую минералогию — историю минералов Земли, — было совершенно логично исследовать историю одной из самых интересных, распространенных и важных минеральных групп нашей планеты — природных вод.

По его мнению, можно выделить не менее трехсот различных видов (отдельных минералов) природной воды, причем максимальное число этих видов, вероятно, достигает тысячи. Подобного разнообразия не имеют никакие другие группы минералов (если не учитывать виды живых существ, которые в принципе можно тоже относить к особым кристаллическим структурам).

Природные воды имеют одну важную особенность: они сосредоточены преимущественно в гигантском резервуаре — Мировом океане. Значительно меньше по массе водяных паров, снега и льда, пресных поверхностных вод, а также вод подземных.

Существуют еще более редкие разновидности природных вод. В 1929 году Вернадский отметил, что среди десятков тысяч химических анализов природных вод отсутствуют анализы многих важных разновидностей: морской пены, придонных вод морских и пресноводных бассейнов, капиллярных вод горных пород и т. д. По сравнению с другими редкими минералами некоторые разновидности природных вод изучены чрезвычайно слабо. Это большое упущение.

«В истории нашей планеты и в истории… химических элементов вода занимает совершенно особое, исключительное положение. Если даже в валовом составе планеты вода исчисляется немногими долями процента массы планетного вещества, то в верхних ее геосферах и, в частности, в биосфере она преобладает по весу и определяет всю их химию. Сейчас наши точные химические знания ограничиваются верхними земными оболочками, а потому при временном состоянии геохимии ни одно вещество не имеет для научной работы в этой области такое значение, какое имеют природные воды…

Ввиду не менее исключительного практического значения природных вод в жизни человека, то или иное решение этих вопросов… входит в самую гущу жизни». Действительно в первой половине нашего века со всей очевидностью выявилась верность взглядов Вернадского на большое теоретическое и практическое значение исследований природных вод. После первых его выступлений в нашей стране стали появляться статьи и монографии, посвященные природным водам, а школа советских гидрогеологов быстро выдвинулась на одно из ведущих мест в мире.

Чтобы познать объект, надо найти ему место среди родственных объектов, создать классификацию. Классификация природных вод, как подчеркнул Вернадский, не может быть чисто химической:

«В ней должны получить выражение и геологические и физико-географические признаки, а именно те, которые определяют места, занимаемые данным телом в структуре планеты. Минерал не есть объект, от планеты независимый. Он всегда связан с определенным местом в ее механизме. Мы должны таким образом уже в классификации, если возможно, определять место данного минерала в планете — в вертикальном разрезе и в географическом положении».

Один из характерных признаков природных вод — присутствие в них газов, главнейшие из которых кислород, углекислота, азот, метан, сероводород, водород. По их содержанию Вернадский предложил выделить шесть основных классов вод Земли. Кроме того, по концентрации растворенных веществ он разделил воды на пресные, соленые и рассолы. А дальнейшее более дробное деление он основывал на содержании в воде определенных химических элементов, сравнительно немногочисленных (хлор, углерод, азот, натрий, кальций, магний и некоторые другие).

Геохимией природных вод Вернадский глубоко заинтересовался сравнительно поздно, в шестидесятипятилетнем возрасте. Это не помешало ему работать увлеченно и очень продуктивно. Его труды по гидрохимии составляют объемистый том в собрании сочинений. Правда, автор заметил в предисловии к своей «Истории природных вод» (входящей в «Историю минералов земной коры»), что работу он вел долгие годы «в часы досуга». Трудно себе представить такого рода «часы досуга», когда, как бы между делом, составляется целая наука, имеющая важное значение для нескольких отраслей знания: кроме минералогии и геохимии, для биологии, геологии, географии, геофизики.

Еще одна оговорка, сделанная Вернадским в том же предисловии. «Автор, уже когда первая часть была написана и частично напечатана, встретился (1934) с небольшой работой этнолога и гидролога В. Мак Ги в Вашингтоне… который дал в 1908 г. яркое изложение своих представлений о водном строе Земли, во многом совпадающее с основными идеями, мною в научную работу вводимыми. Но, насколько знаю, он дал только общее программное изложение своих взглядов. Реально минералогия вод в охвате Земли, как целого, дается в этой книге впервые».

Далее следует изложение минералогии земных вод, по объему превышающее пятьсот страниц. По содержанию труд этот действительно не имеет себе равных в гидрогеологии и минералогии. Он интересен, пожалуй, для всякого образованного человека. Конечно, отдельные разделы могут всерьез заинтересовать только специалистов, и все-таки читать ее легко, а круг затронутых в ней вопросов имеет непосредственное отношение к жизни приповерхностных областей нашей планеты. Ведь именно здесь находится, можно сказать, царство воды, а значит, и жизни (хотя область распространения природных вод — включая льды и подземные воды — значительно обширнее биосферы).

Итак, любознательный читатель может обратиться непосредственно к произведению Вернадского.

Еще одно направление гидрогеологических исследований привлекло внимание ученых в значительной степени благодаря трудам Вернадского. Оно получило название гидрогеотермия — наука о закономерностях теплового режима подземных вод, его изменениях и взаимосвязях с геотермальной энергией недр и тепловыми особенностями земной коры.

«Огромное значение в энергетике земной коры, — писал Вернадский, — имеют переносы водами тепловой энергии из глубоких слоев земной коры в стратисферу и в биосферу. Должен быть учтен и обратный процесс — перенос холодных масс водных растворов и твердых… их фаз. Это процесс планетного xapaктepa…»

По свидетельству советского ученого Н. М. Фролова, автора наиболее полного труда по гидрогеотермии, полученные им выводы являются «…по существу развитием весьма плодотворных и опередивших на многие годы свое время идей В. И. Вернадского…». Вот главные из этих выводов: термический режим земной коры нельзя изучать без учета той колоссальной роли, которую играют в нем подземные воды в силу своих исключительных свойств — высокой теплоемкости и подвижности. Эта роль выражается в переносах огромных масс тепла и вещества по разрезу и в плане, что прежде всего приводит к пересмотру существовавших ранее представлений о масштабах влияния инсоляции на термический режим недр Земли, о мощности развития слоев переменных температур, сложившихся под влиянием теории молекулярного теплообмена; благодаря наличию методов расчета зависимости между скоростью фильтрации подземных вод и температурой системы «порода — вода» гидрогеотермические методы исследований могут быть основой при решении многих задач теории и практики в области геологических наук.

Глубинному теплу Земли — геотермальной энергии — до сих пор посвящается немало более или менее фантастических гипотез и домыслов. Каковы источники этой энергии? На каких глубинах располагаются ее «генераторы»? Убедительных ответов на эти вопросы нет. Да и к разряду каких ресурсов относить геотермальную энергию! Как-то непривычно именовать ее полезным ископаемым.

Действительно, с одной стороны, энергию, тепло — хотя бы и подземное — вряд ли сочтешь ископаемым. С другой стороны, однако, носителями геотермальной энергии являются, скажем, горячие (термальные) воды и пар — своеобразная продукция недр, извлекать которую обычно приходится так же, как и другие жидкие или газообразные полезные ископаемые.

Гидрогеотермия — наука очень перспективная как с теоретической, так и с практической точек зрения. Она позволяет исследовать геотермальную энергию в ее конкретном проявлениии — в связи с динамикой термальных вод.

До сих пор это обстоятельство недостаточно учитывается теоретиками и практиками. А ведь для народного хозяйства «даровая» гидрогеотермальная энергия может приносить огромную пользу, особенно в нашей стране, где на обширнейших пространствах Сибири и Заполярья климатические «ресурсы тепла» весьма ограничены.

Вот, например, зона, примыкающая к трассе Байкало-Амурской магистрали. Известно, что она на значительном протяжении проходит в области сплошного или островного развития вечной мерзлоты. Казалось бы, здесь суровые климатические условия усугубляются вековым холодом недр. Однако такое мнение требует существенного уточнения.

По данным сибирских гидрогеологов, северо-западнее Байкала, по обе стороны строящейся магистрали, прерывистыми цепочками тянутся горячие источники. От берегов Байкала они переходят в долины рек Верхняя Ангара, Муя, Куанда, Чара, Олекма и др. Еще более значительные запасы геотермальной энергии в виде термальных вод приурочены к глубоким частям межгорных впадин — Кичерской, Верхнезейской. По прогнозам гидрогеологов, здесь расположены крупные водоносные горизонты с температурой воды около ста градусов. Выходит, сибирская природа щедра не только на лютые зимние морозы и вечную мерзлоту, но и на круглогодичное тепло подземных вод. А вот используется геотермальная энергия в Сибири пока еще плохо.

Однако очень важно, что мы начали обращать внимание на гидрогеотермальную энергию, стали изучать ее, картировать. И нет сомнения: в ближайшем будущем «водяное отопление» сибирских недр будет подключено к жилым домам, хозяйственным и промышленным предприятиям, теплицам, бассейнам…

Таков путь теоретической идеи до практической ее реализации. И надо ли напоминать, что в гидрогеотермии первые, наиболее плодотворные теоретические идеи были высказаны полвека назад В. И. Вернадским.

… Раз уж речь у нас зашла о Центральной Сибири и вечной мерзлоте, в толще которой, подобно горячей крови, постоянно движутся термальные воды, то следует упомянуть еще одну группу идей Вернадского, связанную не с подземным теплом, а с вековым холодом земных недр.