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).
1 — красноцветные отложения; 2 — сероцветные измененные породы; 3 — нефтяная залежь
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): 1 — преимущественно нейтральные и слабощелочные кальциевого класса. Водоносные горизонты с окислительной, глеевой и, реже, сероводородной обстановками первого, второго и третьего рядов; 2 — кислые, частично нейтральные кальциевые; 3 — соленосные; 4 — содовые и кальциевые; 5 — кислые и нейтральные в бескарбонатных породах. Надмерзлотные (временные) водоносные горизонты районов широкого распространения многолетней мерзлоты, глеевые и окислительные; 6 — нейтральные и кислые в бескарбонатных породах; 7 — нейтральные в карбонатных породах; 8 — нейтральные и кислые в бескарбонатных породах (глеевые); 9 — отсутствие данных
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.
1 — кислые и нейтральные маломинерализованные воды, часто богатые рассоренным органическим веществом («коричневые реки» тайги и тундры); 2 — нейтральные и слабощелочные воды кальциевого класса, часто богатые рассоренным органическим веществом («коричневые реки» мерзлотной тайги, сложенной карбонатными породами); 3 — нейтральные и слабощелочные воды кальциевого класса, бедные растворенным органическим веществом; 4 — воды соленосного класса (как правило, только для периода летней засухи, в остальное время — кальциевый класс); 5 — рек нет
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.