Откуда же вода в пустыне?

Вырыли неглубокий колодец в песчаной пустыне, и вдруг стала сочиться вода. Но откуда она взялась? Ведь это происходит в пустыне, где дожди выпадают крайне редко. Как видно, инфильтрацией воды с поверхности мы не сможем объяснить этого феномена.

Долгие годы ученые ломали голову, пытаясь найти решение данной загадки. Более 100 лет назад ученый О. Фольгер выдвинул поразившую всех гипотезу, что вода под землей образуется путем конденсации (сгущения) водяных паров. Он считал, что они содержатся в проникающем с поверхности воздухе. Попадая в поры пород, эти пары сгущаются, переходя в капельно-жидкое состояние. Он с пафосом воскликнул: «Ни одна капля подземной воды не происходит за счет капель дождевой воды».

Из нашего жизненного опыта мы хорошо знаем, что когда теплая погода внезапно сменяется холодной, часто появляются туманы. Они возникают в результате резкого падения температуры, когда относительная влажность воздуха при том же абсолютном содержании паров воды повышается до 100%-Это и ведет к образованию капелек воды. В этом и состоит сущность процесса конденсации. Нечто похожее происходит и в порах песка: при понижении температуры пар превращается в капельки воды.

Возникли ожесточенные споры двух групп ученых — сторонников «инфильтрационной теории» и «конденсационников».

Рис. 14. Так образуется в пустыне под кучей камней конденсационная вода

Большинство ученых назвали теорию конденсации неправдоподобной, надуманной и даже сумасбродной.

Советский ученый А. Ф. Лебедев поставил оригинальные эксперименты. Ему удалось на опытах доказать, что конденсационный путь образования воды под землей действительно существует. Однако он также установил, что в поры пород проникает не воздух, как это утверждал О. Фольгер, а водяные пары. Результатом его работ была научно обоснованная теория конденсационного образования подземных вод.

В Аравийских пустынях бедуины собирают кучи камней. Под ними через некоторое время образуется немного воды (рис. 14). Эта вода — результат конденсации водяных паров. Так практика подтверждает научные теории.

Теперь ясен ответ на вопрос, откуда вода может появляться в песках пустынь или на степных водоразделах.

Гидрогеологам теперь известно, что основным путем накопления воды под землей все же является инфильтрация. Лишь часть воды обязана своим происхождением конденсации в порах пород водяных паров. Однако воды под землей образуются не только этими двумя путями. В XX веке австрийский ученый Э. Зюсс, размышляя по поводу источников воды под землей, высказал догадку, что крупным поставщиком могут явиться пары и газы, поднимающиеся из глубоких недр воды. Эти воды никогда не видели дневной поверхности, и поэтому Зюсс их назвал «ювенильными» (т. е. девственными).

Сейчас ученые знают, что под земной корой залегает мощная мантия, в составе которой имеется много воды (до 2 — 3%). А. П. Виноградов на основании остроумных лабораторных экспериментов показал, что из пород мантии при расплавлении выделяются водяные пары. Он считает, что даже массы воды в океанах могли возникнуть путем выделения из глубоких недр Земли.

В настоящее время поступление все новых порций воды из глубин нашей планеты не вызывает сомнения. Вместе с тем количество ее, притекающее в земную кору в течение года, незначительно, но постоянство этого процесса в течение многих миллионов лет превращает его в весьма важный источник пополнения подземных вод.

Есть еще ряд других путей пополнения подземных вод: «захватом» океанических, морских и озерных вод в накопляемых на дне рыхлых илах и других типах донных отложений, из захороняемых в морских отложениях растительных и животных организмов и т. д. Все они имеют второстепенное значение в общем балансе вод под землей.

Читатель может видеть, что пути, приводящие воду в земную кору, различны и довольно сложны. В этом основная причина того, что подземные воды разнообразны. Они отличаются по составу, температуре, направлению и скорости движения и другим особенностям.

Может ли вода просочиться до центра Земли?

Сразу отвечаем: конечно, нет. Просачиваясь с поверхности, вода движется в песке или каком-либо другом проницаемом слое до тех пор, пока не встретит на своем пути преграду в виде другой породы, особенность которой — не пропускать воду.

Дело в том, что поверхностная часть Земли, или, как ее называют геологи, верхняя часть земной коры, сложена породами, образовавшимися в море или на суше.

Представим себе, что мы в костюме акванавтов совершаем прогулку по морскому дну. Здесь свой особый мир. У берега дно сложено чаще всего галькой, гравием или крупным песком, а по мере движения в глубину мы попадаем в царство все более мелких песков. Еще глубже и дальше от берега ноги начинают утопать в илистом материале. Это все продукты, образовавшиеся в ходе разрушения пород, слагающих сушу. Многие тысячелетия они переносятся морскими потоками и накапливаются на дне, образуя слои гальки, гравия, песка, глины. Для каждой породы отведено природой свое место.

Рис. 15. Породы в земной коре собраны в пласты

Чем ближе к берегу, тем крупнее накапливающийся материал, чем дальше — тем, наоборот, он мельче. Но с течением времени береговая линия передвигается. И там, где на дне накопилась толща песка, начинает скапливаться новый более тонкий материал. Вот и получается, что морские отложения представляют собой как бы слоеный пирог, в котором чередуются породы, состоящие то из более крупных частиц — галечника, песка, то из более мелких — глинистых. Каждый слой имеет большую площадь и занимает определенное пространство. Такой слой геологи называют пластом осадочной породы (рис. 15).

В течение тысячелетий характер минерального материала, приносимого с суши, меняется. Часто такая смена происходит резко в результате различных геологических потрясений — катастрофических движений земной коры, изменений рельефа местности и гидрографической сети, перемещения береговой линии и других. В результате меняется характер приносимого в море материала, и на образовавшемся пласте начинает откладываться новый. Таким путем формируется пластовое строение толщи пород (см. рис. 15). Пески могут сменяться суглинками (порода, содержащая не только песчаные частицы, но и тонкие глинистые размером менее 2 мкм, а суглинки — глинами и снова песками.

Пласты могут залегать совершенно горизонтально, так как они отложились на дне моря. Но мы уже говорили, что земная кора находится в постоянном движении, изменяя положение пластов; прежде всего они наклоняются, а часто коренным образом меняют свою форму.

Давайте вернемся к самому началу этой главы. Прошел дождь; на песках вода просочилась капельками в поры и ушла в землю. А на участке глины образовались обширные лужи, и ноги увязают в грязи. Почему же здесь вода не инфильтровалась в глубь породы?

Рис. 16. Вода в глине движется с очень малыми скоростями, в 1000 — 10 000 и более раз медленнее, чем в песке

Дело в том, что глина состоит из очень мелких частичек (размером менее 0,002 мм и 2 мкм). Такие тонкие зернышки, плотно прилегая друг к другу,-образуют очень маленькие поры.

Ученые измерили их с помощью электронного микроскопа. Оказалось, что их ширина редко превосходит 0,001 — 0,003 мм. В таких тонких породах вода не в состоянии свободно течь. Ее перемещение возможно, но только лишь путем очень медленного молекулярного движения.

В природе тончайшие поры глин почти всегда заполнены водой. Ее частицы находятся под влиянием атомно-молекуляр-ных сил, действующих на поверхности тончайших минеральных зерен. Это взаимодействие возникает благодаря особому строению кристалликов глинистых минералов и электрическим особенностям молекул воды, о которых уже упоминалось в первой главе.

Конечно, движение воды через глину происходит, но оно в тысячи и десятки тысяч раз медленнее, чем в тех же песках. Даже движение улитки по сравнению с водой в глине покажется «космическим». За сутки в такой породе вода при благоприятных условиях может просочиться на 0,5 — 1,5 мм. Чтобы пройти путь в глине в 1 м, воде потребуются многие месяцы и даже годы (рис. 16).

Некоторое ускорение движения возникает в том случае, когда в глине содержится неравномерное количество солей, растворенных в поровой воде на разных участках породы. Тогда возникает перемещение природных растворов от мест с высокой концентрацией солей к местам с их малым содержанием. Быстрее вода движется при нагревании отдельных частей породы. В этом случае ускоряется ее перемещение от холодных к нагретым местам.

Теперь мы можем начать разговор о пути движения дождевой капли. Представим себе лежащий на поверхности слой песка. Прошел дождь. Капельки быстро просочились вглубь по крупным порам и, увлекаемые силой тяжести, стали опускаться все ниже и ниже. Но вот пласт песка кончился.

Дальше идет слой глины. Дорога воде прочно закрыта. Капелькам деться некуда, и они начинают накапливаться, их становится все больше и больше. Над глиной в песке образуется слой воды. Глина играет роль упора для воды. Поэтому говорят, что первый пласт глины от поверхности — первый водоупор. Над ним в песке постепенно образуются значительные скопления воды. Обратите внимание, что скопление ее идет одновременно на значительной площади, определяемой участком распространения песчаного слоя и подстилающего его глинистого пласта.

А теперь выроем колодец, и когда он достигнет поверхности накопившегося слоя воды, в нем весело заплещется такая нужная нам вода (рис. 17).

Рис. 17. Струйки встречают водоупор и образуют грунтовые воды

Скопления воды в песке над глиной ученые назвали водоносным пластом (или водоносным горизонтом). Первый от поверхности слой воды над первым водоупором получил название грунтовой воды. Она является источником воды для многих городов, сел и деревень. Теперь легко можно представить себе, что чем дальше от поверхности земли залегает водоупор, тем глубже приходится рыть колодец. Однако положение поверхности воды в колодце зависит не только от глубины водо-упора, но и от толщины слоя, грунтовой воды над ним или, как говорят гидрогеологи, мощности водоносного пласта.

Но не только глина может являться водоупором. В этом качестве могут выступать сланцы, граниты, базальты и другие скальные породы, которые при отсутствии или малой тре-щиноватости также не пропускают воду.

Грунтовые воды в колодце после отбора нескольких ведер обычно снижают свой уровень, однако через некоторое время он опять восстанавливается. Это происходит потому, что из окружающего участка вода устремляется к месту, где ее уровень ниже. Скорость притока зависит от водопроницаемости окружающего слоя песка или гравия. Чем крупнее поры слагающих слои пород, тем быстрее идет приток воды. Конечно, действуют и другие факторы — количество воды в водоносном горизонте и величина достигнутого понижения уровня воды в колодце.

Грунтовая вода, залегающая на первом от поверхности слое глины (водоупопе), всегда стремится двигаться. Эта неукротимая любовь к движению, связана с уклоном поверхности грунтовой воды, которая часто зависит от уклона поверхности водоупорных пластов. Вот по этому уклону вода и течет в своем вечном стремлении к движению. Поэтому гидрогеологи говорят о потоках грунтовой воды. Встречаются случаи, когда водоупор образует чашеобразную впадину, тогда вода здесь при определенных условиях неподвижна и образует «грунтовый бассейн».