Помоги проекту - поделись книгой:
Автор книги показал, что водоносный горизонт представляет собой биокосную систему, по своей сущности и уровню организации близкую к почве, коре выветривания, илам. В результате выявилась необходимость изучения водоносных горизонтов с геохимических и системных позиций. Важная особенность системного подхода состоит в том, что вода и вмещающие породы рассматриваются как равноправные объекты исследования, как жидкая и твердая фазы единой системы. Отсюда следует вывод, что вода и порода должны изучаться с равной степенью детальности.
К водоносному горизонту относятся не только породы с движущейся гравитационной водой, но и прилегающие части водоупоров, в которых развиваются явления диффузии и изменения пород. Таким образом, и водоносные горизонты, аналогично почве, илу и коре выветривания, дифференцированы на подгоризонты по вертикали, т. е. они имеют свой профиль.
Следует различать также былые водоносные горизонты в которых подземные воды отсутствуют, но существовали в прошлом и оставили следы в виде ожелезнения, оглеения, карбонатизации, огипсования и т. д. (рис. 18). Изучая подобные горизонты, можно восстановить химический состав и другие особенности былых подземных вод, т. е. решать задачи палеогидрогеологии и палеогидрогеохимии. Но, пожалуй, еще важнее практическая сторона вопроса — к современным и былым водоносным горизонтам приурочены рудные тела месторождений полезных ископаемых, которые образовались на участках резкого изменения состава вод — так называемых геохимических барьерах. Таковы, например, «медистые песчаники», давно известные в науке о рудных месторождениях.
Среди водоносных горизонтов выделяются те же ряды и классы, что и среди почв, илов, кор выветривания. И для водоносных горизонтов основные различия связаны с окислительно-восстановительными условиями, что позволяет выделить три основных ряда водоносных горизонтов — с окислительной средой (кислородные), глеевые и сероводородные.
В этом вопросе подход автора отличается от многих классификаций, принятых в гидрогеологии и гидрохимии, где в основу выделения типов и классов вод кладется степень минерализации и ионный состав вод (ультрапресные, пресные, солоноватые и т. д.). Развивая идеи В. И. Вернадского и А. М. Овчинникова, автор полагает, что газовый состав вод, определяющий окислительно-восстановительные условия, имеет большее таксономическое значение, чем их ионный состав.
В водоносном горизонте могут наблюдаться различные условия, например в примыкающих частях водоупоров, где происходит застаивание капиллярной воды, физикохимическая обстановка часто более восстановительна, чем в средней части горизонта, сложенной водопроницаемыми породами. Согласно принципу централизации, классифицируя водоносные горизонты, следует учитывать особенности той его части, где наиболее энергично работают микроорганизмы, определяющие геохимическое своеобразие данной биокосной системы в целом.
Водоносные горизонты с окислительной средой (кислородные) первого ряда. Они обычно имеют рыжий или желтый цвет от пленок гидроокислов железа, покрывающих частицы пород. Поэтому водоносные горизонты первого ряда легко диагностировать по цвету пород. Это относится как к современным, так и к былым водоносным горизонтам. Кислородный состав вод определяет присутствие аэробных бактерий, энергично окисляющих органические вещества.
Ранее полагали, что свободный кислород в основном характерен для грунтовых вод, в то время как в подземных водах господствует восстановительная бескислородная среда. Гидрогеохимик А. И. Германов в начале 50-х годов показал, что в складчатых областях в районах развития горного рельефа кислород по трещинам проникает на многие сотни метров. Еще более интересные факты обнаружили Я. Б. Смирнов и известный исследователь подземных вод Средней Азии Б. А. Бедер. Оказалось, что в Приташкентском артезианском бассейне кислородные подземные воды проникают на глубину до 2 км. Все эти данные были обобщены на Газогидрогеохимической карте СССР, составленной под редакцией А. В. Щербакова и изданной в 1975 г. (на ней впервые показаны границы распространения свободного кислорода в подземных водах).
С другой стороны, на заболоченных равнинах Севера, например, в тундре и северной тайге, кислород отсутствует и в грунтовых водах.
В последние десятилетия было доказано, что кислородные воды на приподнятых крыльях артезианских бассейнов местами глубоко проникают в толщи восстановленных (сероцветных) пород, формируя зоны пластового окисления (ЗПО) рыжего цвета (рис. 19).
Большое влияние на кислородные грунтовые воды оказывает климат, и воды полярных стран отличаются от вод тропиков. Поэтому и среди грунтовых вод, вероятно, следует выделять типы, аналогичные типам почв и илов. Однако вопрос этот недостаточно ясен, и ниже сразу будут рассмотрены геохимические классы водоносных горизонтов. Что же касается пластовых водоносных горизонтов, то, хотя здесь влияние климата, по некоторым данным, сказывается до глубины в несколько тысяч метров, все же оно не столь велико. Поэтому для глубоких вод кислородный ряд можно подразделить на классы по щелочно-кислотным и прочим условиям. Это сернокислые, кислые, слабокислые частично нейтральные, нейтральные и слабощелочные (пресные), соленосные и содовые водоносные горизонты. Для каждого класса характерны определенные парагенные и запрещенные ассоциации элементов, а также изменения в горных породах.
Рис. 19. Схема формирования зональности водоносных горизонтов.
Глеевые водоносные горизонты второго ряда. Глеевые грунтовые воды широко распространены на равнинах с влажным климатом (тундра, тайга, влажные тропики) и гораздо меньше — в аридных районах. В глубоких пластовых и трещинных водах глеевая среда встречается очень часто. Особенно удачным объектом для изучения пластового оглеения оказались породы красноцветной формации, с которыми читатель уже познакомился на страницах книги.
В красноцветах глеевые подземные воды изменили красную окраску пород на зеленую, сизую, серую, в связи с чем былую деятельность подземных вод легко диагностировать непосредственно в поле — у обнажения, рассматривая керн буровой скважины.
Впервые с этими явлениями я познакомился в 1938 г. в хребте Кунгей-Алатау в Северной Киргизии. Многое тогда казалось загадочным, и в частности происхождение зеленых полос среди красных глин и песчаников. Позднее в пустынных районах Гоби (Монгольская Народная Республика) и особенно в Средней Азии на пути маршрутов постоянно встречались красные горы и обрывы, чередование красных и зеленых полос в разрезе. Мысль невольно возвращалась к загадке их происхождения.
Однажды при наблюдении красноцветов у меня возникло предположение, что зеленые полосы на красном фоне — это следы процессов оглеения, которое могло быть вызвано подземными водами. Сопоставляя наблюдения (пригодились и воспоминания о монгольских обнажениях Гоби), я убедился в исключительно широком развитии оглеения в красноцветной формации, в большом геохимическом значении данного процесса.
В красноцветах, мощность которых достигает сотен и даже тысяч метров, многократно переслаиваются песчаники и алевролиты, реже среди них встречаются прослои галечников, гравелитов, глин и известняков. Напомним, что в красный цвет эти породы окрашены окислами и гидроокислами железа, облекающими в виде тонкой пленки пылеватые, песчаные и глинистые частицы.
Полосы и зоны пятнистой красно-зеленой или однородной синевато-зеленой, светло-серой или белесой окраски обычно представляют собой песчаники, гравелиты, конгломераты. Мощность таких полос колеблется от нескольких десятков сантиметров до нескольких метров. Края их неровные: как правило, такие горизонты через пятнистую сизо-красную зону переходят в преобладающие красные породы.
Ранее некоторые ученые полагали, что при осадкообразовании в условиях восстановительной среды откладывались зеленоватые (серые, сизые) пески, а в условиях окислительной — красные алевролиты. Нетрудно убедиться, что при осадкообразовании возникли бы обратные соотношения — пески, откладывающиеся из быстротекущих и, следовательно, богатых кислородом вод, имели бы красно-бурую окраску, а алевролиты и глины, осаждающиеся в более застойных условиях, — зеленоватую, сизую и т. д. Однако это противоречие не привлекало должного внимания.
Изучая сизые, зеленоватые и белесые горизонты и слои красноцветов, я пришел к выводу, что они представляют собой былые водоносные горизонты, окраска которых изначально была красной. Подземные воды, естественно, двигались по более проницаемым горизонтам — пескам и гравелитам, а также по трещиноватым известнякам. Если воды залегали глубоко, то они могли не содержать свободного кислорода и восстанавливать соединения железа, т. е. переводить Fe3+ в Fe2+. В результате соединения Fe3+ восстанавливались и переходили в раствор, мигрируя вместе с подземными водами. Частицы пород, лишаясь «железистой рубашки», приобретали светло-серую, белую, сизую или зеленоватую окраску. Иногда железо только переходило из одной формы в другую, не мигрируя. При этом красная окраска заменялась зеленой.
Глины и алевролиты, примыкающие к водоносному горизонту вследствие капиллярного впитывания, также содержали воду, и в них развивались восстановительные процессы. В результате и эти слои приобретали сизозеленую или пятнистую окраску, которая распространялась на десятки сантиметров от контакта глины с песками.
Геохимическая деятельность подземных вод местами была столь интенсивной, а число водоносных горизонтов столь велико, что породы красноцветной формации чрезвычайно сильно изменились: почти все «пленочное» железо было перераспределено. Лишь средние части алевролитовых и глинистых горизонтов сохранили свою первоначальную окраску, местами она проявлена только в форме пятен. Породы в таких районах приобрели пеструю окраску, создающую впечатление хаоса красных, белых, охристо-ржавых полос и пятен. И только внимательное рассмотрение позволяет установить строгую закономерность в распределении окраски: чередование в разрезе былых водоносных и водоупорных горизонтов. Подобные породы нередко именуются пестроцветными. Следовательно, некоторые пестроцветы образовались из красноцветов в результате их переработки подземными водами (рис. 20).
Оглеение пермских красноцветов установлено автором и Е. Н. Борисенко во многих районах Приуралья и Заволжья: в Татарской, Удмуртской и Башкирской АССР, Пермской и Оренбургской областях. Широко распространены эти явления в меловых и палеогеновых красноцветах Средней Азии. Это преимущественно карбонатное, но местами также содовое оглеение. Возможны и другие классы. Е. Н. Борисенко доказала, что при карбонатном оглеении красноцветов мигрируют медь, свинец и другие рудные элементы.
Оглеение под воздействием подземных вод было широко распространено в прошлые геологические эпохи, многочисленные его следы обнаружены и в других формациях — меловых песках Подмосковья (Клинско-Дмитровская гряда и др.), Средне-Русской возвышенности (район Курской магнитной аномалии), Окско-Донской низменности и т. д. Сильно оглеены плиоценовые и миоценовые пески Молдавии, олигоценовые пески Приташкентского района, породы юрской угленосной формации Средней Азии и Забайкалья.
Рис. 20. Оглеенные красноцветы.
Глеевые водоносные горизонты характерны также для участков нефтяных и газовых залежей (в водах много органических веществ — пищи для микробов, работающих энергично). Особо благоприятные условия для деятельности микробов создаются на водонефтяных контактах, где микроорганизмы, окисляя органическое вещество нефти, продуцируют CO2, органические кислоты[9]. В результате на контакте pH вод понижается и карбонаты водовмещающих пород растворяются по известной схеме (кислый глеевый класс):
Гидрокарбонатные растворы, содержащие повышенное количество Са2+, Mg2+, Fe2+, Mn2+, мигрируют в сторону от водонефтяного контакта, где в водоносных горизонтах микробиологическая деятельность развивается слабее и pH выше. В результате происходит осаждение вторичных эпигенетических карбонатов, цементирующих пласт. Эти явления были описаны на нефтяных месторождениях Среднего Поволжья, Кубани, Средней Азии.
Новые интересные данные доставило изучение нефтегазоносных бассейнов Сибири. Б. А. Лебедев, А. А. Розин, З. Я. Сердюк и др. установили широкое распространение в Западной Сибири эпигенетической каолинизации и карбонатизации. Так, в Межовском районе в юрских отложениях на глубине 2500 м полевые шпаты, слюды, хлориты превращены в каолинит. Здесь же развиваются и вторичные карбонаты. Эпигенетические изменения носят «игольчатый» характер, часто они приурочены к зонам разломов. Аналогичные явления установлены в районе Шаима, Сургута, Чебачья, Мельджино. Изменения происходили в восстановительных условиях, так как среди вторичных карбонатов присутствует не только кальцит, но и сидерит, анкерит. Следовательно, железо мигрировало и среда была глеевой. Каолинизация возможна только в кислой среде, а осаждение карбонатов — в нейтральной и щелочной. Это однозначно решает вопрос о последовательности процессов — сперва кислая глеевая каолинизация, потом окарбоначивание каолинизированных горизонтов.
Р. В. Королева и Б. А. Лебедев описали подобную кислотно-щелочную зональность в триасовых песчаниках Лено-Вилюйской нефтеносной области. Так, на Средне-Вилюйском газовом месторождении в водоносных горизонтах на глубине 2,5—3,5 км в песчаниках наблюдается следующая эпигенетическая зональность:
| Зона изменения | Состав цементов |
|---|---|
| Выщелачивания (кислая) | Каолинит с примесью хлорита |
| Отложения вторичных минералов (щелочная среда) | Карбонаты, кварц, альбит, цеолиты, монтмориллонит, хлорит |
| Неизмененных пород | Монтмориллонит, хлорит, гидрослюды, смешаннослойные минералы, каолинит |
Как и в Западной Сибири, вторичные минералы представлены кальцитом, анкеритом и сидеритом, что указывает на глеевый характер вод. Эпигенетическая каолинизация в нефтеносных породах известна также в Предкавказье, Мангышлаке, Волго-Уральской области, Прибалханском районе, во многих районах США, Северной Африки. С этим процессом связано формирование коллекторов для нефти и газа, так как при каолинизации пористость песчаников увеличивается. В карбонатных породах коллекторы образуются за счет растворения CaCO3 под влиянием углекислых вод. Вторичные карбонаты откладываются по периферии коллекторов, т. е. и здесь имеет место щелочно-кислотная зональность.
Хотя причины кислотно-щелочной глеевой зональности в осадочных породах трактуются по-разному, в геохимическом аспекте главным виновником является один элемент — углерод, точнее, углекислый газ.
Одним из универсальных источников углекислого газа служит окисление микробами органических веществ битумного (нефтяного) или угольного ряда. Эти процессы протекают везде, где имеются вода и органическое вещество и температура не слишком высока. Естественно, что наиболее энергично они развиваются в местах скопления органического вещества, например на водонефтяных контактах.
Вторым источником углекислого газа служит разложение карбонатов. Термическая диссоциация CaCO3 требует многих сотен градусов и может развиваться лишь в зонах магматизма и метаморфизма. Такой метаморфогенный и магматогенный углекислый газ мог играть роль в рассматриваемых процессах, однако доказать его участие довольно трудно.
В процессах кислого глеевого выщелачивания и каолинизации, вероятно, определенную роль играют органические кислоты, весьма характерные для вод, связанных с нефтяными месторождениями.
Водоносные горизонты сероводородного (сульфидного), третьего ряда. Одним из источников сероводорода служит десульфуризация. Именно поэтому «нефтяные воды» часто являются бессульфатными. Однако биохимическое образование сероводорода за счет восстановления сульфатов характерно для более высоких горизонтов нефтяных и газовых месторождений. Вместе с тем содержание сероводорода в нефтяных газах во многих районах возрастает с глубиной, что указывает на другой источник его. Такой глубинный сероводород был обнаружен в больших количествах на многих газовых месторождениях. Он предъявляет большой интерес как серное сырье: в СССР — в Оренбургской области, в США (в Техасе некоторые газы содержат до 80—97% сероводорода), Канаде, Франции, ФРГ. Сероводород поступает с больших глубин, где господствует высокая температура и невозможна десульфуризация. Л. А. Анисимов предполагает, что этот газ образовался в результате термокаталитического разложения сернистых нефтей и других сероорганических соединений.
Рис. 21. Изменения красноцветных пород под влиянием нефтяной залежи в Куйбышевском Заволжье (по Л. Н. Задову и С. Я. Вайнбауму, 1952).
Сероводородные (сульфидные) водоносные горизонты формируются также и вне нефтегазоносных провинций — везде, где в подземных водах много сульфатов, есть органическое вещество и нет свободного кислорода. Нередко такие воды имеют важное бальнеологическое значение, к районам их распространения приурочены курорты типа Мацесты, Пятигорска и др.
Былые водоносные горизонты третьего ряда легко диагностируются по окраске — часто они имеют серый или черный цвет за счет тонкорассеянного пирита (рис. 21). К таким горизонтам приурочены рудные тела сульфидных месторождений, особенно медных (некоторые «медистые песчаники»). Преобладает здесь нейтральный карбонатный сульфидный класс, хотя известны и соленосно-сульфидные и содовые сероводородные водоносные горизонты.
Геохимические классы грунтовых вод СССР. Еще в начале XX в. П. В. Отоцкий показал, что грунтовые воды подчиняются зональности. Эти представления в конце 20-х годов подробно развил В. С. Ильин. Ныне горизонтальная зональность грунтовых вод изучена очень хорошо (О. К. Ланге, Г. Н. Каменский, И. В. Гарманов и др.). Среди грунтовых год СССР известны все 15 классов; наиболее распространенные из них показаны на рис. 22.
Поверхностные воды
Раздел геохимии, изучающий поверхностные воды, именуют гидрохимией (геохимия речных вод, озер, океана и т. д.).
В верхних горизонтах водоемов, куда проникает солнечный свет, развивается фотосинтез — из углекислого газа, воды, минеральных солей образуются сложные органические вещества. Эту работу в основном выполняют зеленые, сине-зеленые и другие водоросли. Одновременно, как и в других биокосных системах, происходит разложение органического вещества главным образом в результате деятельности микроорганизмов. В каждом миллилитре речной воды содержатся сотни тысяч и миллионы бактерий, например, в Волге у Куйбышева — 13 млн., в Москве-реке — 0,4—1,3 млн., в Кубани — 1,5—5,8 млн. Таким образом, в освещаемых горизонтах поверхностных вод развиваются противоположные процессы образования и разложения органических веществ, в совокупности составляющие единый биологический круговорот атомов. В этом отношении верхние горизонты вод близки к ландшафтам.
В глубоких водных слоях, куда солнечный свет не проникает, возможно только разложение органических веществ, т. е. эти слои аналогичны почвам, илам, коре выветривания и водоносным горизонтам.
Поэтому и геохимическая систематика поверхностных вод может быть построена по уже известному читателю принципу разделения на три ряда — кислородных, глеевых и сероводородных вод.
В подавляющем большинстве поверхностные воды содержат растворенный кислород, который постоянно поступает в них из атмосферы и за счет фотосинтеза водных растений. В архее до появления зеленых растений, т. е. миллиарды лет назад, поверхностные воды относились ко второму, глеевому, ряду. В современную эпоху глеевая обстановка местами создается в таежных реках и озерах зимой под слоем льда. Свободный кислород здесь расходуется на дыхание рыб, окисление растворенных органических соединений; поступление кислорода из атмосферы затруднено из-за ледяного панциря. В результате содержание кислорода резко понижается, рыба начинает задыхаться, происходит ее «замор», известный на реках Западной Сибири, белорусского Полесья и других лесисто-болотистых низменностей. Естественно, что при вскрытии ледяного покрова глеевый состав вод сменяется на окислительный. В целом такие воды относятся к первому ряду.
Рис. 22. Геохимические классы грунтовых вод.
Водоносные горизонты с преобладанием окислительной обстановки (первого ряда):
Воды третьего ряда — сероводородные — известны в глубоких горизонтах некоторых морей и заливов, где затруднен водообмен. Классическим примером служат глубокие горизонты Черного моря, зараженные сероводородом (глубже 200 м). Для этой биокосной системы характерны сульфатредуцирующие бактерии.
Геохимические особенности поверхностных вод зависят также от температурного режима. Например, реки и озера Арктики сильно отличаются от экваториальных рек: растворимость кислорода на севере выше, скорость окисления органических веществ меньше, так как в холодной воде бактерии работают медленнее. Все это позволяет, как и для илов, выделять типы поверхностных вод, которые еще нуждаются в уточнении. Условно мы различаем холодные, умеренные и теплые воды в соответствии с термическими поясами земной поверхности. Отметим, что еще в 1892 г. известный швейцарский исследователь озер Ф. Форель выделил три типа озер по особенностям температурного режима и циркуляции: умеренные (полная циркуляция весной и осенью), тропические и полярные (циркуляция летом, температура всегда меньше 4° С). К холодным водам относятся также некоторые поверхностные воды районов многолетней мерзлоты и водные массы океанических глубин.
Рис. 23. Геохимические классы речных вод.
Определеннее можно говорить о геохимических классах вод, выделяемых в пределах типов; они те же, что и в почвах, илах, корах выветривания, водоносных горизонтах (рис. 23, 24). Рассмотрим эти классы для вод первого, окислительного, ряда.
Воды сильнокислого класса (с pH < 3) распространены сравнительно мало. Они известны в районах сульфидных рудных месторождений, где окисление сульфидов, в первую очередь пирита, приводит к формированию сернокислых вод, дающих начало сернокислым ручьям и речкам. Эти воды имеют не только низкий pH, но и обогащены металлами. В таких районах встречаются сернокислые («купоросные») озера. Одно из подобных озер расположено вблизи Гайского медноколчеданного месторождения на Южном Урале. Население издавна использовало его в лечебных целях.
В отработанных карьерах сульфидных месторождений часто возникают сернокислые пруды, на их берегах наблюдаются пестрые выцветы медных и других минералов.
Сернокислые ручьи и речки характерны и для районов некоторых угольных шахт — они образуются в результате кислого водоотлива, о котором мы еще расскажем на страницах этой книги. Таким образом, геохимическая деятельность человечества направлена к увеличению числа кислых рек и озер (прудов).
В районах современного вулканизма, например на Курилах, в Японии, Индонезии, формируются сильнокислые термальные подземные воды, а в местах их выхода на поверхность — кислые реки. Кислотность связана с растворением хлористого водорода, сернистого газа и других вулканических газов. К. К. Зеленов исследовал на Курилах речку Юрьева, берущую начало с действующего вулкана Эбеко. Это «солянокислая река» с pH воды 1,72, в которой растворено много алюминия и железа.
Рис. 24. Геохимические классы озерных вод.
Сильнокислые вулканические озера известны в Японии, на Гавайях и в других вулканических районах.
В ландшафтах влажного климата с равнинным рельефом и болотами широко распространены реки и озера кислого класса. К ним относятся многие водоемы тундры, заболоченной тайги, влажных тропиков (например, Амазонии). В районах вечной мерзлоты подобный класс вод встречается и в горных областях (например, в Восточной Сибири).
Воды кислого класса формируются в районах развития изверженных и других пород, не содержащих растворимых компонентов (карбонатов, гипса и т. д.). Формирование химического состава вод протекает в почвах при разложении растительных остатков. Такие воды содержат очень мало растворимых минеральных веществ, обычно менее 100 мг в 1 л («ультрапресные»). По ионному составу это чаще всего гидрокарбонатно-кальциевые воды (Са2+ — НСО3-). Воды богаты растворенным органическим веществом, в связи с чем имеют коричневый цвет, напоминающий крепкий чай. К этому классу относятся и черные тропические реки, в том числе крупный приток Амазонки Рио-Негро (по-испански — «черная река»). Под защитой органических веществ мигрируют многие металлы. В физико-химическом смысле это крайне неравновесные системы, так как они содержат и сильный окислитель (свободный кислород), и сильные восстановители (органические соединения). Вместе с тем эта биокосная система устойчива, т. е. является стационарной.
Воды кальциевого класса — нейтральные и слабощелочные, пресные (маломинерализованные) — также распространены очень широко. Среди них можно выделить несколько разновидностей (подклассов, самостоятельных классов?).
В таежной и тундровой зонах, в районах, сложенных известняками или другими породами, содержащими растворимые компоненты, формируются весьма своеобразные воды кальциевого класса. Ведущее значение для формирования их химического состава наряду с разложением растительных остатков имеет растворение пород. Общая минерализация таких вод значительно выше, чем во втором классе, она составляет местами сотни миллиграммов на литр. По ионному составу воды гидрокарбонатнокальциевые (НСО3-—Са2+). Содержание растворенных органических веществ в водах значительно, они имеют коричневый цвет, но все же светлее, чем во втором классе. Возможно, эти воды следует выделять в самостоятельный класс.
Воды кальциевого класса, бедные растворенным органическим веществом, распространены во многих ландшафтах лесостепи, черноземных степей, горных стран. Главное значение в формировании состава вод здесь имеет разложение растительных остатков и растворение карбонатов кальция в почвах, корах выветривания, континентальных отложениях. Эти воды пресные, кальциевые, местами жесткие (в черноземных степях). Все же общее количество растворенных веществ обычно не превышает 1 г/л.
pH вод кальциевого класса может сильно колебаться в зависимости от интенсивности фотосинтеза. Во время наибольшего расцвета деятельности водорослей и других зеленых растений они почти нацело изымают из воды углекислый газ и pH повышается местами до 10. Ночью, когда фотосинтеза не происходит, а дыхание растений, поставляющее углекислый газ, продолжается, pH падает. За сутки колебание pH может составить 2 ед., т. е. кислотность изменится в 100 раз! Повышение pH за счет фотосинтеза возможно и в озерах кислого класса, и в морских лагунах с соленой водой.
Воды соленосного класса (Na+, Cl-, SO42-) распространены преимущественно в сухих степях и пустынях, главным образом в озерах. Еще А. Е. Ферсман выделил на территории СССР особый «пустынно-озерный пояс». По ионному составу эти воды очень разнообразны — известны и хлоридные, и сульфатные, и натриевые, и магниевые воды. Классификация их детально разработана в связи с большим практическим значением соляных озер. Напомним об огромном хозяйственном значении соляных озер Эльтон и Баскунчак в Прикаспийской низменности, залива Кара-Богаз-Гол в Туркмении. Реже встречаются соленые ручьи и реки, они известны в районах развития соленосных толщ. Летом при сильном испарении воды небольшие реки сухих степей и пустынь тоже могут осолоняться (а зимой и весной — опресняться). К соленосному классу относится также морская и океаническая вода.
Содовые воды наиболее характерны для лесостепи и северной степи, где широко распространены содовые озера. Классический район их развития в СССР — западносибирская лесостепь, например Барабинская низменность. Содовые щелочные реки редки.
В 1938—1939 гг. в штате Вайоминг (США) при поисках нефти и газа были открыты ископаемые залежи троны (Na2CO3 · NaHCO3 · 2H2O) — осадки эоценовых содовых озер. В 1964 г. из этих месторождений добывалось уже около 20% всей соды, производимой в США. Современные крупные содовые озера известны в Калифорнии, Восточной Африке и других местах. Процессы формирования содовых озер выяснены еще далеко не достаточно, в природе протекает много реакций, в ходе которых воды приобретают содовый состав. Наряду с климатом большую роль в формировании содовых озер во многих районах, вероятно, играл вулканизм.
Ландшафты
В последние годы жизни Докучаев открыл биокосную систему более крупного порядка (ландшафт), по отношению к которой почва является подсистемой. «... Основным предметом учения о ландшафтах являются не элементы ландшафта сами по себе — горные породы, водоемы, рельеф, растительность и животный мир, а взаимосвязь между ними — та „сложная цепь природы“, которой, по выражению Гете, „весь мир таинственно объят“», — писал Б. Б. Полынов[10].
Открытие ландшафта было связано с развитием представлений о зональности. О климатический зональности знали еще ученые Древней Греции, имелись общие представления и о зональности растительности. Великий немецкий натуралист А. Гумбольдт (1769—1859) в 1807 г. глубоко обосновал зональность растительного покрова и на этой основе построил здание географии растений. Наконец, в конце XIX столетия Докучаев доказал, что зональность наблюдается и в «минеральном царстве», что она характерна для размещения почвенного покрова. Отсюда неизбежно следовал вывод о зональности природы земной поверхности в целом, который и сделал Докучаев, создав учение о зонах природы.
Докучаев показал, что тундра, тайга, черноземная степь, пустыня, влажные тропики — это особые природные системы, в которых атмосфера, горные породы, животный и растительный мир, воды и почвы тесно между собой связаны, составляют единое целое. Подобные природные комплексы и ранее привлекали внимание натуралистов; в России они описывались как «типы и роды местности», в Германии — как «ландшафты». В немецкую науку термин «ландшафт» был введен в 1805 г. А. Гоммейером, который заимствовал его из народного языка. В то время под ландшафтом понимали облик местности. В 1840 г. вышла в свет «Естественная история Оренбургского края» Э. А. Эверсмана (1794—1860), в которой автор уже выделял такие природные комплексы, как «глинистые», «песчаные» и «солонцеватые степи», т. е. ландшафты в современном понимании. В конце XIX—начале XX в. видный немецкий географ З. Пассарге (1867—1958) выполнил большую работу по инвентаризации ландшафтов, характеристике ландшафтного покрова отдельных стран. Однако в то время еще не была разработана методология изучения ландшафтов, и поэтому данные исследования не могли привести и не привели к развитию самостоятельного научного направления. Докучаев же ясно представлял эту методологию; выражаясь современным языком, он видел ее в системном анализе. В 1898 г. в газете «Кавказ» ученый писал: «Не подлежит сомнению, что познание природы — ее сил, стихий, явлений и тел — сделало в течение 19 столетия такие гигантские шаги, что само столетие нередко называется веком естествознания, веком натуралистов. Но, всматриваясь внимательнее в эти величайшие приобретения человеческого знания, — приобретения, можно сказать, перевернувшие наше мировоззрение на природу вверх дном, особенно после работ Лавуазье, Лайэля, Дарвина, Гельмгольца и др., нельзя не заметить одного весьма существенного и важного недочета... Изучались, главным образом,
Через год Докучаев вновь вернулся к этому вопросу. Ученый писал: «Как известно, в самое последнее время все более и более формируется и обособляется одна из интереснейших дисциплин в области современного естествознания, именно учение о тех многосложных и многообразных
Уже недалеко то время, когда она (наука. —
До работ Докучаева не было столь ясного и четкого изложения сущности системного подхода, указаний на необходимость изучения связей между телами и явлениями природы земной поверхности. Именно поэтому современному пониманию ландшафта, как это хорошо показали Л. С. Берг и Б. Б. Полынов, наука обязана Докучаеву и его последователям. Говоря о зарождении науки о ландшафтах, Полынов писал, что оно «произошло значительно позже попыток придать термину „ландшафт“ значение научного понятия и появления работ, посвященных описаниям, характеристикам и классификациям ландшафтов. Эти работы, среди которых встречаются исключительные по своему объему, кропотливости и усердию (например, работы S. Passarge), в полной мере отвечают задачам старой описательной географии путешественников и просвещенных наблюдателей. Они не могли развить учения о ландшафтах как
Зарождение, и особенно развитие, науки о ландшафтах определялось и практическими потребностями человеческого общества. В этом отношении наука о ландшафтах давно уже «стучалась в дверь», она была необходима еще в античную эпоху в связи с явлениями, которые Ф. Энгельс назвал «непредвиденными последствиями человеческой деятельности». В «Диалектике природы» Энгельс писал: «Не будем, однако, слишком обольщаться нашими победами над природой. За каждую такую победу она нам мстит. Каждая из этих побед имеет, правда, в первую очередь те последствия, на которые мы рассчитывали, но во вторую и третью очередь совсем другие, непредвиденные последствия, которые очень часто уничтожают значение первых. Людям, которые в Месопотамии, Греции, Малой Азии и в других местах выкорчевывали леса, чтобы получить таким путем пахотную землю, и не снилось, что они этим положили начало нынешнему запустению этих стран, лишив их, вместе с лесами, центров скопления и сохранения влаги. Когда альпийские итальянцы вырубали на южном склоне гор хвойные леса, так заботливо охраняемые на северном, они не предвидели, что этим подрезывают корни высокогорного скотоводства в своей области; еще меньше они предвидели, что этим они на большую часть года оставят без воды свои горные источники, с тем чтобы в период дождей эти источники могли изливать на равнину тем более бешеные потоки»[14].
Непредвиденные последствия хозяйственной деятельности наблюдаются почти во всех странах с густым населением и древней культурой. Вся история человеческого общества полна подобными примерами. Но в чем же основная причина «непредвиденных последствий», неизбежный ли они результат хозяйственной деятельности?
Поставив перед собой определенную цель, человек изменяет какую-то часть ландшафта — распахивает степь, вырубает леса, орошает пустыни и т. д. Однако все компоненты ландшафта тесно между собой связаны и взаимообусловлены — почва с растительностью, с водами, с животным миром и т. д. Поэтому изменение хотя бы одной части приводит к изменению остальных, ландшафта в целом. Распахали склоны — начался смыв почвы, вырубили леса — произошли наводнения, спустили фабричные отходы в реки — уничтожили рыбу и т. д.
Итак, уже несколько тысяч лет назад возникла необходимость в изучении связей между отдельными компонентами ландшафта, т. е. в особой науке об этих связях. Но появиться она смогла лишь через тысячи лет, когда создались необходимые научные предпосылки. Что же касается широкого практического приложения, то оно возможно преимущественно в социалистических странах с их плановой экономикой, где комплексное изучение ландшафта становится основой рационального использования природных ресурсов.
В СССР большой вклад в эту науку внес выдающийся советский географ Л. С. Берг. Еще в дореволюционные годы он выполнил прекрасное ландшафтное исследование Аральского моря, а в дальнейшем написал широко известную книгу «Географические зоны СССР».
Лев Семенович БЕРГ (1876—1950)
Поделиться книгой: