Явление поступления глубинных вод из земных недр и их роль в развитии Земли

Согласно принятой в настоящее время в гидрогеологии схеме круговорота воды на Земле, в нем участвуют только процессы испарения со всей поверхности Земли (океаны и суша), атмосферные осадки, поверхностный (реки) и подземный сток (субмаринная разгрузка) в океаны. Следовательно, круговорот воды якобы происходит только в верхней части земной коры и другие внешние источники пополнения гидросферы отсутствуют (рис. 1). На основании этого можно предположить, что гидросфера Земли образовалась только за счет привноса воды из космического пространства и представляет собой метеорные воды, которые почему-то уже не пополняются из космоса. В этом кругово- роте отсутствует возможность поступления воды из глубоких частей планеты, хотя с давних времен известно о поступлении водных паров в процессе вулканических извержений и дегазации Земли.

Между тем в настоящее время уже никого не удивляет, что в образовании гидросферы Земли всегда или по другим данным в определенные периоды времени участвовали и участвуют глубинные процессы Земли, которые «поставляют» или «поставляли» водные пары из глубоких частей Земли в составе различных газов. Сведения о поступлении вод из земных недр и их участии в образовании химического состава океанских вод и рассолов в глубоких водоносных горизонтах можно

найти, например, в работах В.Ф. Дерпгольца [2], Е.В. Пиннекера [11], Ф. Маркинтайра [6], В. Руби (Rubey), О.Г. Сорохтина [16], А.С. Монина [7] и др. В работах указанных авторов различались только возможные процессы образования и временные интервалы поступления воды из земных глубин. Однако необ- участия в образовании гидросферы Земли кроме метеорной воды и водных паров, поступающих из недр Земли в результате дегазации или высвобождения из минералогического состава горных пород, до сих пор в гидрогеологии отсутствовало общепринятое понятие «глубинные воды», хотя некоторые ученые термин «глубинные ходимо заметить, что, несмотря на суще- воды» использовали при описании вод ствование предположений о возможности глубоких горизонтов Земли.

Рис.1. Круговорот воды в природе с точки зрения метеорного происхождения гидросферы

Обоснованность утверждения понятия «глубинные воды» официально подтверждена в наше время научным сообществом [20]. Но в региональной гидрогеологии, к сожалению, и сейчас понятие «глубинные воды» отсутствует. Предполагается, что практически все подземные воды осадочных отложений, в которых в основном проводились поиски и разведка подземных вод питьевого качества и минеральных вод, имеют только инфильтрационное происхождение [3, 8, 11-13]. Такое положение дел в практической гидрогеологии продолжает существенно вредить качеству проведения гидрогеологических работ по разведке и оценке экологического состояния подземных вод. В наше время достоверно установлено [19], что поступающие в разведуемые водоносные горизонты в современную геологическую эпоху глубинные воды нередко содержат токсичные химические элементы, поэтому не соответствуют нормативным требованиям и непригодны для питьевых целей, а их доля в общем балансе водоносного горизонта, как показали балансовые расчеты уран-изотопным методом, иногда может достигать 30-60%.

Таким образом, мы убеждены, что более обоснованное заключение о присутствии глубинных вод в составе гидросферы Земли и правомерности использования не только термина, но и понятия «глубинные воды» в гидрогеологической науке возможно именно при комплексном рассмотрении этой проблемы не только с точки зрения концентрации дейтерия и трития, входящих непосредственно в молекулы воды, но и изотопного состава растворенных в ней других химических элементов. Учитывая, что природная вода состоит из водорода и кислорода, вполне логично предположить, что именно они могут быть наиболее представительны и наиболее объективные количественные расчеты можно получить при использовании в ка- честве индикаторов изотопов водорода и кислорода, т.е. δD и δ18O. Поэтому рассмотрим этот вопрос более подробно.

Принято считать, что воды мирового океана характеризуются эталонным изотопным составом водорода и кислорода (SMOW), т.е. δD = 0‰ и δ18O=0‰. Также известно, что по данным большинства исследователей основную массу гидросферы (96-98%) составляют воды океана. Следовательно, в первом приближении можно принять, что именно океанские воды могут отражать изотопный состав первоисточника гидросферы, т.е. ответить на вопрос, откуда появилась основная масса гидросферы Земли. Сторонники метеорного происхождения гидросферы уверены, что она имеет в основном космическое происхождение. Согласно этой концепции, космическая вода попала на планету в виде частиц льда, входящих в состав космического газопылевого облака в начальный период образования планеты, а также в последующем в результате постоянного падения на планету в виде различных космических тел.

Обратим внимание на некоторые факты. По данным различных ученых, минимальная концентрация дейтерия в «метеорных» водах составляет около – (минус) 200‰, а в океанской воде равна 0‰ и линия метеорных вод, или «линия Крейга» [29], проходит через точку SMOW со значениями δD = 0‰ и δ¹⁸О = 0‰. Однако возникает вопрос: как же объяснить этот парадокс – увеличение концентрации дейтерия от –200 до 0‰. Этот факт и образование линии метеорных вод можно объяснить только смешением с водами, характеризующимися концентрацией дейтерия с положительными значениями. Действительно, в работе В.И. Ферронского и В.А. Полякова [25] приводятся сведения об обнаружении таких высоких концентраций дейтерия, достигающих значений +100 ÷ +300‰ в некоторых природных водных источниках, но почему-то умалчиваются причины их образования.

Е.В. Пиннекер [11] также считал, что «предположительно ювенильным водам свойственны повышенные концентрации тяжелых изотопов водорода и кислорода». Но на его мнение тогда никто не обратил должного внимания и, может быть, это обстоятельство и явилось одним из причин непризнания современной гидрогеологической наукой факта поступления глубинных вод в пределы водоносных горизонтов верхнего гидрогеологического этажа. В.Ф. Дерпгольц еще раньше в работе [2] писал, что «значение ювенильных вод в формировании химического состава природных вод незаслуженно забыто в современной гидрогеологии». Он также считал, что «степень глубинности подземной воды принято определять по изотопному составу кислорода и водорода (утяжеление воды)».

Таким образом, мы видим некоторые противоречивые суждения относительно содержания дейтерия и кислорода-18 в более глубоких горизонтах Земли. В связи с этим считаем необходимым отметить, что в процессе исследований попутных вод Астраханского газоконденсатного месторождения (АГКМ) нами также установлено увеличение концентрации дейтерия [22] с глубиной, что хорошо согласуется с увеличением изотопного сдвига урана – надежного индикатора глубинных вод. Это явление выражается в виде синхронных куполовидных ореолов изменения величины отношения альфа-активности изотопов и концентрации дейтерия (рис. 2). На основе этих данных мы полагаем, что повышенные содержания дейтерия и изотопный сдвиг урана в попутных водах этого месторождения объясняются их поступлением в составе мантийного плюма, образовавшего указанное газоконденсатное месторождение [22]. Мы считаем, что пары глубинных вод образуются из водорода и кислорода, поступающих в составе различных химических элементов и в том числе углеводородных газов в «ядерных» (или мантийных) плю-мах [17] – «продуктах деятельности» ядерного реактора,

а

б

Рис. 2. Закономерности изменения величины γ=234U/238U (а) и δD‰ (б) в попутных водах по разрезу продуктивного горизонта газоконденсатного месторождения. а: 1 – изолиния γ = 234U/238U; 2 – скважина и интервал установки фильтров, цифры - величина γ; 3 – 5 – участки преимущественного распространения пластовых подошвенных и конденсационных вод седиментационного происхождения с γ<1.10 (3), глубинных вод с γ>1.50 (4) и смешанных вод с γ = 1.10–1.50 (5); 6 – тектоническое нарушение; 7 – очаг и номер поступления глубинных вод; 8 – номер участка преимущественного распространения пластовых подошвенных и конденсационных вод; б: 1 – изолиния δD, ‰; 2 – скважина и интервал установки фильтра, цифры: сверху номер скважины, около фильтра содержание дейтерия (а) и величина γ (б); 3,5 – пределы изменения концентрации дейтерия, δD, ‰: менее 160 (3) и более 160 (4); 5 – тектоническое нарушение; 6 – очаги поступления глубинных вод по уран-изотопным данным источником «питания» которого является сверхтяжелый элемент X предположительно с порядковым номером 184 [18]. По полученным нами предварительным данным концентрация дейтерия в глубин- ных водах может составлять около +600‰ [22]. Таким образом, наблюдающаяся «нулевая» концентрация дейтерия в океанической воде может быть образована в результате смешения метеорных вод с глубинными. Между тем и в опубликованных ранее материалах, по нашему мнению, достаточно фактических данных, свидетельствующих о поступлении в океаны не только дейтерия, но и трития, и легкого изотопа гелия. В опубликованных материалах можно найти ряд примеров, свидетельствующих о поступлении глубинных вод в океаны в районах срединноокеанских хребтов и вулканических островов, образующихся под влиянием мантийных плюмов [3].

В качестве примера рассмотрим некоторые из них.

На рис. 3 приведены схематические карты распределения концентрации дейтерия (‰) и солености в бассейне Атлан- тического океана по данным работы В.И. Ферронского и В.А. Полякова [25]. Мы считаем, что локальные аномалии концентрации дейтерия (до +10‰) и минерализации (до 37 г/л) океанских вод в центральных частях Атлантического океана на широте Карибского моря и Бразилии образованы в результате смешения океанских вод с «нулевой» концентрацией дейтерия с глубинными водами, поступающими в составе ядерных (или мантийных?) плюмов [17] в районе Срединноатлантического хребта, т.е. в зоне спре-динга океанского дна, и характеризующимися концентрацией дейтерия около +300-600‰ [22].

Рис. 3. Распределение концентрации дейтерия (%) и солености (б) в бассейне Атлантического океана по Redfield, Friedman (1964)

Если принять условно, что содержание дейтерия в глубинных водах составляет около +300‰, то по известной формуле изотопного баланса [26] в аномальной зоне с содержанием дейтерия +10‰ можно определить долю глубинных вод: 3,3%. Таким образом, этот пример является убедительным аргументом в пользу поступления глубинных вод в районах срединноокеанских хребтов и их участия в образовании океанских вод.

Согласно гипотезе об образовании Земли с природным ядерным реактором в центре [18] наблюдаемый практически повсеместно в глубинных водах легкий изотоп гелия 3Не может постоянно генерироваться из трития – продукта резко асимметричного деления сверхтяжелых элементов в ядерном реакторе – и не является первичным «солнечным гелием», якобы имевшимся в составе газопылевого облака и захороненным в ядре планеты неким фантастическим способом, по мнению некоторых исследователей, в момент образования Земли. Между тем в настоящее время имеются исследования других ученых, которые позволяют предполагать возможность генерирования легкого изотопа гелия 3Не в земном ядре, что в какой-то мере согласуется с нашим мнением. Выше мы показали возможность поступ- в районах срединно-океанических хребтов, там же могут быть найдены и изотопы не полностью распавшегося трития Поэтому обратимся к рис. 4, приведенному в работе [24].

ления дейтерия из глубинных недр Земли

Рис. 4. Меридиональное распределение концентрации трития (ТЕ) в водах Атлантического океана в 1972 г., по Ostlund, Fine (1979)

На рисунке изображены изолинии концентрации трития по разрезу Атлантического океана, которые показывают, что в бóльшей части океанских вод содержание трития не превышает 1 Т.Е. и только в приповерхностной части местами достигает 2 Т.Е., следовательно, это позволяет предположить, что здесь не может быть локального техногенного загрязнения океанских вод. Вместе с тем можно видеть, что в правой части рисунка в районе 50-70º с. ш. над наиболее высоким океанским поднятием вулканического происхождения в приповерхностной части океанских вод содержание трития, судя по резкому сгущению изолиний, может достигать 10 Т.Е. и более. В то же время изолинии Т.Е. показывают, что изолиния со значением 2 Т.Е. опускается вдоль склона океанского поднятия до глубины около 4 км. Мы полагаем, что это явление можно объяснить только поступлением природного трития, а увеличение его концентрации в приповерхностной части – посте- пенным накоплением глубинного не успевающего распадаться трития, поскольку нет никаких оснований допускать возможность образования такой локальной техногенной аномалии трития в океанских просторах именно над этим океанским поднятием, тогда как в округе больше нет подобных аномалий трития. Поэтому мы считаем, что природный тритий образуется при асимметричном делении сверхтяжелых элементов в природном ядерном реакторе Земли в центре планеты. По-видимому, на основе этих данных можно определить также количество ежегодного поступления трития из глубин и объем поступающих в океаны глубинных вод.

Доказательством правомерности предположения об образовании трития по указанному сценарию является также аномальное увеличение концентрации легкого изотопа гелия 3Не над другим выступом океанского дна в южной части Атлантического океана, приведенное на рис. 5 из работы [24].

Рис. 5. Меридиональное распределение избытка легкого изотопа гелия δ (3 Не) в водах Южной Атлантики по Yenkins, Clarke (1976)

Можно заметить постепенное увеличение 3Не в основном в придонной части океана, тогда как в приповерхностной части наблюдаются его нулевые концентрации. На рисунке можно видеть, что максимальное содержание 3Не наблюдается над выступом дна океана.

Последнее наглядно доказывает поступление изотопа 3Не из земных недр с глубинными водами. Еще более наглядно иллюстрирует процесс поступления легкого изотопа гелия 3Не с глубинными водами ореол его распространения над вершиной Восточно-Тихоокеанского поднятия, приведенный на рис. 6, на котором изолинии 3Не позволяют разглядеть непосредственный выход ореола из вершины поднятия.

Рис. 6. Ореол распределения легкого изотопа гелия (изолинии δ ³Не) в водах Тихого океана в районе Восточно-Тихоокеанского поднятия на широте 15º ю. ш., по данным работ [8, 13]

На схеме распределения среднегодовых концентраций трития в атмосферных осадках над территорией бывшего СССР максимальная «тритиевая» аномалия наблюдается в районе Восточно-Сибирской платформы [26], будто бы именно в этом районе мог располагаться источник тех- ногенного загрязнения (бомбовый тритий), т.е. южнее границ бывшего СССР на территории Китая (рис. 7). Но это вряд ли возможно, поэтому следует искать другие источники поступления трития в атмосферу над этим регионом.

Рис. 7. Распределение среднегодовых концентраций трития в атмосферных осадках над территорией бывшего СССР за 1979 г. [26]

Мы полагаем, что ими могли быть природные источники. Известно, что в районе Восточно-Сибирской платформы имеется Мировая магнитная аномалия [27], а по данным [26] – огромный супер-плюм, который « сформировался в непосредственной близости от ядра » (по выражению Ю.М. Фомина) их образовал « литосферный плюм-вулканоген » (рис. 8).

Именно под воздействием этого су-перплюма, по его мнению, образовались так называемые «трубки взрыва», в том числе и кимберлитовые, скопления которых получили название «кимберлитовых полей», и с этой концепцией мы полностью согласны. Вносим лишь небольшую поправку относительно возникновения суперплюма, который представляет собой продукт деятельности природного ядерно-го реактора Земли, а не просто по неизвестной причине возникает «вблизи от ядра», как считает автор [27].

Основываясь на вышеуказанных фактических данных, мы полагаем, что именно этот суперплюм является источником «поставки» в район аномалии глубинного трития из ядра Земли, постоянно генерирующегося в природном ядерном реакторе.

Следующим странным на первый взгляд фактом является постоянная в океанической воде величина отношения альфа-активностей изотопов урана γ = 234U/238U, равная 1.14, которое, согласно периодам полураспада указанных изотопов, равным соответственно 250 тыс. лет и 4.5 млрд лет, за сотни миллионов существования океанов уже давно должно было придти к равновесию (т.е. γ=1) благодаря различным периодам полураспада этих изотопов. Это явление можно объяснить только поступлением дополнительных порций легкого изотопа 234U с глубинными водами, в которых, по последним данным [31], величина изотопного сдвига урана может достигать 250 отн. ед. по сравнению с равновесным ураном, в то время как (установлено расчетным путем) в процессе образования 234U в результате радиоактивного распада 238U может достигать только 3-4 отн. ед.

Рис. 8. Восточно-Сибирский платформенный плюм-вулканоген [27]. 1 – граница Сибирской платформы; 2 – глубина подошвы литосферы, км; 3 – предполагаемая граница литосферного плюм-вупканогена; 4 – предполагаемый контур «жерла» плюм-вулканогена; 5 – кимберлитовые поля установленные: а) палеозойские, б) мезозойские, в) предполагаемые; 6 – траектория полета Тунгусского космического тела; 7 – магнитный (дополнительный) полюс Земли

Сам факт поступления глубинных вод, повышающих величину отношения альфа-активностей 234U/238U, достоверно установлен в настоящее время проведенными нами многочисленными натурными исследованиями изотопного состава урана в подземных водах верхнего гидрогеологического этажа в условиях платформенных и геосинклинальных областей Земли и переходных территорий [18]. Расчеты, проведенные нами с помощью уран-изотопного метода определения водного баланса с использованием формулы изотопного разбавления [19], показывают, что наблюдающаяся в океанских водах величина изотопного сдвига урана, равная 1.14, характеризует смесь около 96% «теоретических» (т.е. с учетом естественного распада урана) океанских вод с равновесными значениями γ=1 и 4% глубинных вод. Полученные по уран-изотопным данным выводы вполне согласуются с известными данными об объемах других типов природных вод. Так, доля подземных вод (возможно, они преимущественно ме-теогенные, учитывая, что, по мнению современной гидрогеологической науки о подземных водах верхнего гидрогеологического этажа, они образуются в результате фильтрации поверхностных вод) составляет порядка 2-4%, что сопоставимо с погрешностями современных методов определений этого параметра, а суммарный речной сток в океан и испарение почти компенсируются.

Таким образом, приведенный выше анализ имеющейся информации об изотопном составе водорода, кислорода, гелия и урана в океанских и подземных водах показывает, что основным источником происхождения гидросферы Земли являются глубинные воды, поступавшие и продолжающие поступать из земного ядра в виде паров воды в составе ядерных (или мантийных) плюмов, образующихся в результате деятельности природного ядер-ного реактора в центре планеты и являю- щегося основным «силовым генератором» Земли.

Между тем отдельные ученые прошлого столетия обнаруживали признаки существования в недрах планеты не совсем объяснимых в то время явлений. Так, великий русский ученый-энциклопедист В.И. Вернадский [1] еще в 1933 г. первым обратил внимание на грандиозные масштабы выделения ювенильных газов – азота, метана, гелия и др. И.Н. Толстихин [24] считает, что отношение 3Не/4Не может служить в качестве критерия юве-нильности вещества. В работе [28] Ю.А. Шуколюков указывал, что в южной части Тихого океана наблюдается присутствие Не, Ne, Ar, Kr и особенно заметны повышенные значения отношения 3Не/4Не в океанских водах, что нельзя объяснить без дополнительного притока гелия-3 из недр Земли. Однако он объясняет это поступлением первичного гелия-3 («солнечного»?), якобы присутствовавшего в составе космического газопылевого вещества и захороненного в центральных частях планеты при ее формировании. Но как же это могло произойти, если гелий очень летуч и постоянно улетучивается из земных недр в космическое пространство и его трудно удержать даже в закрытой стеклянной посуде? Об этом автор умалчивает. Мы же, согласно гипотезе образования Земли, с ядерным реактором в центре [18], повышенные концентрации легкого изотопа гелия в недрах Земли объясняем постоянным распадом трития, образующегося при резко асимметричном делении сверхтяжелых элементов.

В заключение можно отметить, в каких случаях, где и как обнаруживается присутствие глубинных вод в геологических объектах:

• •    в геодинамических активных зонах [4, 5, 30], обусловленных современными и новейшими тектоническими движениями, преимущественно в пределах локальных положительных структур;

• •    в океанских водах с уникальным и стабильным химическим и изотопным составом;

• •    на участках аномального увеличения изотопного сдвига урана, т.е. отношения альфа-активностей изотопов ²³⁴U/²³⁸U – надежного стабильного индикатора глубинных вод, в водоносных горизонтах верхнего гидрогеологического этажа;

• •    в месторождениях термальных и минеральных вод, характеризующихся полезными для организма человека химическими элементами глубинного генезиса и смешивающихся с подземными водами верхних водоносных горизонтов;

• •    в гидротермальных рудных месторождениях;

• •    на участках загрязнения почвенного покрова тяжелыми металлами в районах поступления на проницаемых участках тектонических нарушений глубинных вод с повышенным содержанием химических элементов глубинного происхождения;

• •    в геопатогенных зонах аномальных изменений геофизических и геохимических полей в связи с осаждением различных металлов глубинного генезиса вокруг каналов поступления глубинных вод;

• •    в гидрохимических ореолах алмазоносных районов, особенно на участках алмазоносных кимберлитовых трубок взрыва [21];

• •    в попутных водах нефтегазовых месторождений.