«Критическая температура» деятельности микроорганизмов близка к 80°, а по некоторым данным даже к 100°. Поэтому нижнюю границу деятельности микроорганизмов обычно проводят по изотерме 100°, которая, по В. А. Покровскому, на Русской платформе расположена на глубине от 2,9 до 5,5 км, в так называемых передовых прогибах (Прикарпатье, Предкавказье и т. д.) — на глубине 1,5—2,9 км. В районах развития кристаллических пород, например на Кольском полуострове, эта граница предположительно находится на глубине 10—15 км. Сравнительно низкие температуры (менее 100°) — только одно из условий, необходимых для деятельности микроорганизмов. Другое не менее важное условие — наличие пищи, преимущественно органических соединений, а также кислорода, необходимого для дыхания, т. е. для окисления соединений.
Почти все подземные воды содержат растворенное органическое вещество. Больше всего его содержится в водах нефтяных и газовых месторождений (сотни миллиграммов в 1 л). Особенно большие исследования в направлении органической гидрогеохимии провели советский гидрогеолог М. Е. Альтовский и его ученик В. М. Швец.
В подземных водах обнаружены органические кислоты, углеводороды, фенолы, спирты и другие соединения. Много подобных веществ растворено и в грунтовых водах тайги и тундры, часто имеющих коричневый цвет. Но даже наиболее бедные «органикой» подземные воды содержат в 1 л доли миллиграмма органического углерода.
Таким образом, пищи для бактерий в большинстве подземных вод достаточно. Следовательно, остается решить последний вопрос: где они могут добыть кислород, чтобы окислить органические вещества и получить энергию, необходимую для жизнедеятельности? В верхних горизонтах подземных вод, содержащих растворенный кислород, развиваются аэробные бактерии. В более глубоких горизонтах подземных вод, а местами и в грунтовых водах, в болотах и солончаках, свободного кислорода нет. Там развиваются анаэробные бактерии, способные отнимать кислород у сульфатов, нитратов, гидроокислов железа, марганца и других окисленных соединений. В результате эти соединения восстанавливаются и в водах появляются H2, H2S, NH3, Fe2+, Mn2+ и прочие восстановленные формы элементов, а кислород расходуется на окисление органических веществ с образованием углекислого газа. Так, в результате жизнедеятельности микроорганизмов происходит глубокое изменение химического состава подземных вод, они становятся химически высокоактивными и совершают в земной коре большую работу — изменяют горные породы. За время геологической истории бактерии окислили в земной коре огромное количество органических веществ, «съели» целые месторождения нефти, изменили состав многих осадочных пород. Для характеристики геохимической деятельности подземных вод, их работы по преобразованию горных пород используют термины «гидрогенез», «катагенез», «эпигенез».
Рис. 17. Схематический разрез Волго-Камского артезианского бассейна (по Б. Н. Архангельскому, 1958).
1 — зона с минерализацией воды до 1 г/л (интенсивного водообмена); 2 — зона с минерализацией воды до 10 г/л (замедленного водообмена?); 3 — зона с минерализацией воды до 50 г/л (замедленного водообмена ?); зона весьма замедленного водообмена: 4 — с минерализацией воды до 100 г/л; 5 — с минерализацией воды до 270 г/л; 6 — с минерализацией воды более 270 г/л; 7 — стратиграфические границы; 8 — граница гидрохимических зон
Подземная гидросфера расчленяется на биокосные системы различного уровня организации. К более высокому уровню относятся артезианские бассейны, к более низкому — водоносные горизонты.
В районах распространения осадочных горных пород обычно наблюдается чередование пластов, плохо проницаемых для подземных вод (как, например, глин) и хорошо проницаемых, к которым относятся пески, трещиноватые известняки и другие породы. Они часто насыщены водой и представляют собой водоносные горизонты.
Для изверженных и других скальных пород характерно размещение подземных вод в трещинах, зонах разломов; такие воды именуются трещинными, жильными и т. д. В этом случае можно говорить о биокосных системах, аналогичных водоносным горизонтам (однако меньшее содержание органического вещества часто определяет и меньшую геохимическую активность бактерий).
Рис. 18. Былой водоносный горизонт в верхнемеловых красноцветах долины реки Сох (Южная Фергана).
Водоупорные породы: I и V — красный алевролит; II в IV — оглеенный алевролит. Водопроницаемые породы: III — трещиноватый известняк
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.