ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ КАК КОМПОНЕНТ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Современные представления о подземном стоке в моря

Изучение подземного стока в моря и океаны является час­тью комплексной гидролого-гидрогеологической проблемы изу­чения подземного водообмена между сушей и морем. Подзем­ный водообмен включает два противоположных и не эквивален­тных процесса: подземный сток в море и интрузия морских вод в берега.

Эта глава посвящена разгрузке подземных вод в моря, то есть той части подземных вод, которая формируется на суше и раз­гружается в моря, минуя речную сеть. Подземный сток в моря формируется в обводненной толще пород береговой зоны в ре­зультате их дренирования морем. Этот процесс происходит в основном постоянно во времени и повсеместно за исключени­ем некоторых областей Арктики, и особенно Антарктики, сло­женных многолетнемерзлыми породами большой мощности.

Исследования внедрения морских вод в берега - самостоя­тельная задача, тесно связанная с анализом работы приморских

Водозаборов подземных вод. Наибольший опыт теоретических и прикладных работ в этой области имеется в США, Канаде, Японии, Нидерландах, Франции. Многие научные международ­ные конференции и симпозиумы посвящаются проблеме интру­зий морских вод в водоносные горизонты.

Интрузия морских вод в береговых зонах в природных усло­виях происходит на ограниченных территориях. Однако, в нару­шенных условиях этот процесс усиливается. Во многих случаях значительный отбор подземных вод в береговой зоне вызывает приток (интрузию) морских вод в берега. Следовательно, инт­рузия морских вод в водоносные горизонты может являться се­рьезной угрозой питьевому водоснабжению.

В работе известного испанского ученого Э. Кустодио (1982) отмечается, что в прибрежных районах постоянное замещение пресных подземных вод солоноватыми или солеными под влия­нием эксплуатации, особенно в субмаринной части глубоких водоносных горизонтов, вызывает изменения баланса подзем­ных вод, что необходимо учитывать при подсчете их запасов. Важный аспект исследований в этом направлении - изучение процессов физико-химических взаимодействий, возникающих при смешении подземных и морских вод различного состава.

Однако вернемся к проблеме, обозначенной в названии этой главы - роли подземного стока в водном и солевом балансе мо­рей и океанов.

Субмаринная разгрузка в моря и океаны является наименее изученным элементом существующего и перспективного вод­ного и солевого баланса морей. Можно назвать две основные причины такого положения. Во-первых, приток подземных вод является единственным компонентом водного баланса морей, неподдающимся прямым измерениям, а данные для хорошо обо­снованных расчетов подземной составляющей водного баланса обычно отсутствует. До последнего времени не была разработа­на методика таких расчетов. В то же время без данных о подзем­ном стоке водный баланс отдельных морей и океанов и Миро­вого океана в целом остается не замкнутым.

Вторая причина, по которой подземный сток остается плохо изученным компонентом водного и солевого баланса морей и океанов носит субъективный характер. Многие годы и даже де­сятилетия гидрологи, занимающиеся изучением водного балан­са исходили из того, что подземный сток является небольшим по величине элементом водного баланса (по сравнению с други­ми его компонентами) и поэтому его можно определить, исполь­зуя уравнение среднемноголетнего водного баланса. Иными сло­вами, по их мнению, подземный сток может быть определен как разность между среднегодовыми величинами атмосферных осад­ков, испарением и речным стоком. Рассчитанная таким образом величина подземного стока полностью зависит от точности оцен­ки средних величин осадков, испарения и речного стока и вклю­чает в себя все погрешности их определения, которые в сумме часто превышают значение подземного стока непосредственно в моря.

При таких расчетах их авторы получают не величину под­земного стока, а подземный сток, "смешанный" со всеми ошиб­ками определения основных компонентов водного баланса. Это приводило к неверным выводам. Наиболее наглядным приме­ром в этом отношении могут служить ранее выполнявшиеся (примерно до 1970 г.) исследования водного баланса Каспий­ского моря, где по данным разных авторов, использующих изложенный выше прием расчета, значения подземного стока различались почти в 150 раз.

Такой подход представляется принципиально неверным. Именно потому, что подземный сток в море обычно является небольшим по сравнению с другими элементами водного ба­ланса (атмосферными осадками, испарением, речным стоком) важно определить его непосредственными гидрогеологически­ми методами.

Исследования подземного стока в моря не отличаются прин­ципиально от изучения разгрузки подземных вод в крупные озе­ра, поэтому все сказанное выше и ниже в полной мере относит­ся и к водному балансу озер.

Значительным толчком к постановке и развитию исследова­ний подземного стока в моря в последние годы послужили зап­росы практики по "проблеме внутренних морей". Сущность этой проблемы состоит в том, что во многих внутренних морях (преж­де всего Каспийском и Аральском) и крупных озерах происхо­дят значительные изменения уровня воды, обусловленые как естественными факторами, так и интенсивной хозяйственной деятельностью на водосборах. Встала задача изучения современ­ного и перспективного водного и солевого балансов этих водо­емов и, следовательно, оценки роли подземных вод в формиро­вании этих балансов. При этом должно быть исследовано влия­ние подземных вод не только на водный и солевой балансы водоема, но и на особенности его гидрохимического, темпера­турного и гидробиологического режимов. К настоящему време­ни накоплен значительный опыт исследований по количествен­ной оценке подземного стока во внутренние и окраинные моря и крупные озера. Основная задача этих исследований - изуче­ние особенностей и закономерностей процессов водно-солево­го обмена водоема с сушей, а также обоснование прогноза из­менений подземной составляющей водного баланса под влия­нием все возрастающей хозяйственной деятельности.

Необходимо особо отметить, что подземные воды, сформи­рованные на суше и разгружающиеся в береговой зоне морей и океанов, во многих случаях оказывают значительное влияние на гидрохимический, гидрогеологический и температурный ре­жимы морской воды в береговой зоне, а также могут влиять на процесс седиментации.

Несмотря на то, что подземный сток остается трудноопреде­лимым и слабоизученным компонентом водного и солевого ба­ланса морей, специалисты должны ответить на ряд сложных вопросов: каким является объем разгружающейся воды, оказы­вает ли он значительное влияние на водный и солевой баланс моря, каким образом изменится приток подземных вод в буду­щем в результате возможных изменений климата и увеличения техногенной нагрузки в береговой зоне, до какой степени необ­ходимо учитывать подземную составляющую при изучении со­левого и теплового баланса морей и океанов.

Выше рассматривались в основном гидрологические пробле­мы, связанные с изучением подземного стока в моря. Укажем и основные гидрогеологические проблемы, решение которых са­мым тесным образом связано с необходимостью изучения под­земного стока в моря или в более широкой постановке, подзем­ного водообмена суши и моря.

Как уже отмечалось, многие водозаборы подземных вод рас­положены на морских побережьях, и условия их работы во мно­гом определяются характером взаимодействия подземных и морских вод. В таких условиях исследования взаимодействия морских и подземных вод в прибрежных районах проводят с целью определения наиболее оптимального дебита водозаборов, эксплуатирующих подземные воды на побережьях. В результате интенсивной эксплуатации таких водозаборов водообмен в сис­теме "море - подземные воды" изменяется. Важная задача, сто­ящая перед гидрогеологами, - определение положения границы раздела "пресная подземная вода - соленая морская вода" и, сле­довательно, прогнозирование качества воды водозаборов под­земных вод, расположенных на морских побережьях.

Подземный сток в моря - важный показатель ресурсов под­земных вод. В приморских районах недостаток в пресной воде хорошего качества в ряде случаев можно значительно уменьшить или даже покрыть полностью за счет использования подземных вод, которые в настоящее время "бесполезно" стекают в море. В некоторых странах уже имеется прложительный опыт исполь­зования вод крупных субмаринных источников, разгружающих­ся в море недалеко от берега, а также опыт эксплуатации сква­жин, пробуренных на шельфе и вскрывших пресные подземные воды для водоснабжения приморских населенных пунктов.

В специальной литературе описываются многочисленные случаи практического использования вод субмаринных источ­ников, а также отдельных скважин, пробуренных в морях, для целей водоснабжения. Приведем лишь отдельные примеры.

Большое развитие субмаринные источники получили на под­водных склонах островных систем с ярко выраженным горным рельефом (Гавайские, Филиппинские, Большие Антильские ос­трова, Большой Зондский и Малый Зондский архипелаги).

Один из наиболее крупных в мире субмаринных источников расположен у берегов острова Ямайка, где обнаружена целая пре­сноводная "река" с расходом 43 мэ/с. Этот источник обнаружен в 1600 м от берега, вода "пробивается" к поверхности моря с глубины 256 м.

Наиболее богато подводными выходами подземных вод Сре­диземное море, где субмаринные источники приурочены к тре­щинам и карстовым каналам в горных породах. В Эгейском море вблизи юго-восточного побережья Греции обнаружен субмарин - ный источник пресной воды с большим расходом.

Только у берегов Адриатического моря насчитывается около 700 субмаринных источников.

В Средиземном море известны источники на значительных глубинах, приуроченные главным образом к зонам локальных тектонических нарушений в карстовых отложениях (у г. Канны на глубине 165 м, Сан-Ремо - 190 м, в заливе Святого Мартина -700 м). В Динарской приморской карстовой провинции на про­тяжении 420 км вдоль береговой линии обнаружено 32 выхода отдельных и групповых субмаринных источников.

В Средиземном море выходы субмаринных источников не­редко столь значительны, что образуют целые пресноводные потоки. Так, в районе устья реки Роны на дне моря обнаружены субмаринные источники, формирующие пресноводный поток среди соленых вод. Подобная пресноводная "река" течет и в Ге­нуэзском заливе.

Наиболее детальные исследования субмаринных источников с помощью различных методов выполнены у южного побе­режья Франции, между городами Марсель и Кассис. Наиболее крупные источники здесь Порт-Миу и Бестуан. Еще в 1964 г. Бюро геологических и горных исследований и Водное общество г. Марселя создали специальную научно-исследовательскую организацию для изучения этих субмаринных источников, вы­яснения возможности их эксплуатации для водоснабжения и раз­работки методических приемов исследования источников подоб­ного типа. Было установлено, что субмаринные источники при­урочены к закарстованным известнякам мелового возраста, которые образуют моноклиналь, наклоненную в сторону моря. Карстовые полости в этих отложениях проявляются на глуби­нах моря до 100 м. Аквалангисты, исследовавшие карстовые галереи источников Порт-Миу, достигли глубины 45 м ниже уровня моря, по карстовым каналам проникли на расстояние более 1 км в глубь материка. Были установлены измерительные пункты, оборудованные датчиками скорости течения, маномет­рами, резистивиметрами, отобраны пробы воды и грунта, про­ведены опыты с красящим веществом флуорисценом, позволив­шие определить направление и скорость движения фильтраци­онного потока, выполнены геофизические эксперименты. Установлено, что в карстовых полостях происходит как бы рас­слоение водной массы: на более низких отметках залегает соле­ная морская вода, сверху - пресная подземная вода, обладаю­щая меньшим удельным весом. Было показано, что скорость про­движения соленой морской воды в глубь галереи обратно пропорциональна величине напоров разгружающихся пресных подземных вод. Величина этого напора в свою очередь опреде­ляет расход потока пресных субмаринных вод, который движет­ся в сторону моря по поверхности более плотных морских вод. На равновесие между пресной и соленой водой влияют напор­ный градиент пресного потока и колебание уровня моря, соот­ношение плотностей пресной и соленой воды и разность их тем­ператур, способствующие процессам диффузии.

Полученные результаты исследований были использованы при проектировании и строительстве бетонной плотины на пути проникновения морской воды в глубь материка через главную карстовую галерею. Плотина построена в самой глубокой части карстовой галереи примерно в 500 м от ее выхода в море. Стро­ительство этой плотины позволило осуществлять постоянные измерения скорости потока разгружающихся подземных вод, следить за потерями напора вдоль карстовой галереи, предотв­ращать внедрение морских вод и обосновывать оптимальные условия для эксплуатации подземных вод с целью водоснабже­ния (рис. 4.1.1).

В бывшем СССР субмаринные источники хорошо известны на Кавказском шельфе Черного моря. Здесь в районе г. Гагры и пос. Гантиади на фоне морской воды в виде светлых "вскипаю­щих" пятен проявляются карстовые источники пресных вод с дебитом от 0,3 до 8 м3/с.

Наиболее богато подводными выходами карстовых подзем­ных вод Средиземное море. Только на Адриатическом побе­режье насчитывается около 700 субмаринных источников. Сум­марный дебит 17 источников у берегов Ливана составляет 60 мэ/с. В Динарской приморской карстовой провинции на про­тяжении 420 км вдоль берега обнаружено 32 выхода отдельных и групповых субмаринных источников. Дебиты субмаринных ис­точников в Средиземном море иногда столь значительны, что образуют целые пресноводные потоки. Подобные потоки среди соленых вод обнаружены в районе устья р. Роны и Генуэзском заливе.

2 ПЇЇШз ш4 15 6 [ІЗ 7

В

Субмаринные источники значительно развиты на подводных склонах островных систем с ярко выраженным горным релье­фом (Гавайские, Филиппинские, Большие Антильские острова, Большой и Малый Зондский архипелаги). Один из наиболее крупных в мире субмаринных источников известен у берегов о-ва Ямайки, где в 1,5 км от берега с глубины 256 м пробивается к поверхности факел пресной воды с дебитом на выходе 43 м3/с.

Некоторые другие примеры. В Персидском заливе в районе островов Бахрейн выходит большое количество субмаринных родников с минерализацией воды около 4 г/л, область питания которых находится на расстоянии более 100 км на территории Саудовской Аравии.

Многочисленные субмаринные источники известны у бере­гов Атлантики. Так, вблизи Флориды обнаружены пресные воды на расстоянии 120 км от берега; у западных берегов Атлантики известны субмаринные источники, поднимающиеся к поверх­ности моря с глубин порядка 400 м.

По данным американских специалистов практически на всем восточном побережье США происходит подземный сток в Ат­лантический океан и Мексиканский залив. Только в одном из районов острова Лонг-Айленд (штат Нью-Йорк) подземный сток в океан оценивается в 25 млн. м7год. В этой части шельфа на

Дне океана на расстоянии 37 км от берега (напротив устья р. Де - лавер) скважиной вскрыты подземные воды, обладающие зна­чительным напором.

На плато Блейк, южнее Саванны, была обнаружена 50-мет­ровая депрессия на дне моря, заполненная водой с температу­рой на 2,5°С ниже температуры окружающей морской воды. Депрессия расположена в 200 км от берега на глубине 510 м. Эта аномалия связана с разгрузкой подземных вод.

Многие субмаринные источники приурочены к подземным каньонам, которые нередко представляют собой подводное про­должение устья рек. Так, например, от устья р. Ганга в Бенгаль­ский залив протянулся подводный каньон длиной более 1600 км, шириной около 700 км и глубиной более 70 м, к которому при­урочены выходы субмаринных подземных вод.

Исследования на батискафе подводной лодки "Алуминаут" вдоль берегов Флориды выявили в 120 км от берега на глубине 510м выходы пресных и солоноватых подземных вод.

Количественная оценка субмаринного подземного стока по­зволяет выявить дополнительные водные ресурсы для водоснаб­жения. Наиболее наглядный пример практического использова­ния субмаринных источников - сооружение специальной пло­тины в море вблизи юго-восточного побережья Греции, что позволило "оградить" выходы субмаринных источников и со­здать как бы пресноводное озеро внутри моря. Суммарный де­бит субмаринных источников здесь превышает 1 млн. м3/сут. Воды этого "озера" используются для орошения земель прибреж­ной территории.

В настоящее время в ряде стран разрабатываются техничес­ки современные способы и средства для добычи "воды под во­дой". Так, в Японии получен патент на способ отбора пресной воды из субмаринного источника на дне моря. Авторы патента предлагают разделять пресную воду источника и морскую воду непосредственно на дне моря. С этой целью над источником сооружается специальная установка с датчиками, которые непре­рывно измеряют солевой состав воды. Работа установки полно­стью автоматизирована. Если соленость воды превышает допус­тимую величину, подача воды к потребителю автоматически пре­кращается и вода сбрасывается в море до тех пор, пока ее соленость и состав снова станут такими, какие были установле­ны заранее потребителем.

Итальянские специалисты предложили для отбора вод суб­маринных источников использовать специальный колокол, ко­торый устанавливается на дне моря, накрывая источник. Коло­кол оборудован предохранительными клапанами, контролирую­щими расход воды и при необходимости ее состав.

Большие перспективы в области использования субмарин­ных подземных вод морскими водозаборами открываются в свя­зи со значительным развитием технических средств бурения и опробования скважин на шельфе, материковом склоне и дне морей. Скважины, пробуренные на шельфе Австралии, вблизи Атлантического побережья США, на континентальном склоне Мексиканского залива и в других местах, вскрыли пресные сла­боминерализованные субмаринные воды, обладающие значи­тельным напором. Так, при бурении в Атлантическом океане у берегов Флориды пресные воды обнаружены в 43 км от берега к востоку от г. Джэксонвилла. Скважиной, пробуренной с кораб­ля, на глубине 250 м ниже уровня моря вскрыта вода с минера­лизацией 0,7 г/л, при этом напор воды достигает 9 м над уров­нем моря.

Следует, однако иметь в виду, что вопрос о практическом ис­пользовании субмаринных вод непосредственно в море весьма непрост. Он прежде всего определяется сложностью каптирова - ния (оборудования) выходов субмаринных источников на дне моря, необходимостью и экономической целесообразностью сооружения такого каптажа, техническими сложностями буре­ния скважин в море.

Иногда высказываются суждения о высоких возможностях использования субмаринных подземных вод, об их практически неисчерпаемых ресурсах. Поэтому необходимо подчеркнуть, что выводы о возможностях практического использования суб­маринных вод могут быть сделаны только после проведения специальных работ по оценке запасов этих вод, включая техни­ко-экономическое обоснование целесообразности их исполь­зования.

Важно также отметить, что результаты бурения дна морей и океанов позволили установить наличие значительных запасов полезных ископаемых, прежде всего нефти, газа, угля, желез­ных руд, марганца, фосфоритов. Перед исследователями стоит задача изучения роли подземного стока в формировании место­рождений полезных ископаемых на дне морей. Эти работы на­ходятся пока лишь в самой начальной стадии. Важные выводы о происхождении месторождений полезных ископаемых на дне океанов и морей могут быть получены при изучении подземно­го стока в моря и процессов физико-химического взаимодей­ствия субмаринных подземных вод, горных пород и морской воды. Первые, весьма предварительные результаты работ в этом направлении показывают, что в областях разгрузки подземных вод на дне моря происходят резкие изменения окислительно- восстановительной обстановки, что может приводить к значи­тельным фазовым превращениям.

Так, в области разгрузки пресных подземных вод на Черном море вблизи пос. Гантиади в донных отложениях содержание свинца, бария, никеля, хрома, ванадия и циркония в два и более раз выше по сравнению с фоновыми концентрациями, что, по мнению автора исследований, объясняется процессами взаимо­действия разгружающихся подземных вод с донными осадками и морскими водами (Батоян, Брусиловский, 1976).

Подземный сток в моря и океаны осуществляется практи­чески повсеместно за исключением Арктики и Антарктиды, ело - женных глубоко промороженными горными породами, либо мощ­ной толщей льда. Исследования последних лет, проведенные в Антарктиде, показали, что и здесь под мощной толщей льда на­ходится огромное количество пресной воды. По данным В. М. - Котлякова с соавторами (1977), в Антарктиде под ледниковым покровом происходит донное таяние льда, которое приводит к образованию примерно 380 км3 пресной воды в год. Наличие подземной воды подтверждено геофизическими и буровыми ра­ботами. Так, скважиной, пробуренной на станции Бэрд в Антар­ктиде, вскрыта под толщей льда пресная вода с высотой напора 60 м. Эти талые воды на большой глубине разгружаются в океан и оказывают опресняющее воздействие по всей прибрежной зоне.

По данным К. С. Лосева, из-под материкового ледника Лам­берта в Антарктиде в океан поступает ежесекундно около 100 м3 пресной воды, что подтверждается также наличием в подвод­ных каньонах пресноводных наносов.

По мнению Р. К. Клиге (1995), подземный сток происходит не только в Антарктиде, но и в Гренландии и на некоторых арк­тических островах. По его ориентировочным оценкам, такой сток в Арктике должен составлять до 30 км3/год, а общее поступле­ние в Мировой океан подледниковых вод в районах Арктики и Антарктиды с учетом приведенных выше данных В. М. Котляко­ва с соавторами составляет примерно 410 км3/год.

По характеру поступления в Мировой океан и роли в его вод­ном балансе эти подледниковые воды условно можно отнести к подземному стоку, точнее, к подземной составляющей водного баланса океанов, хотя очевидно, что происхождение и форми­рование "подледного" стока в Мировой океан принципиально иные по сравнению с подземными водами, сформировавшими­ся на суше и разгрузившимися в моря и океаны.

Изучение очагов субмаринной разгрузки подземных вод пред­ставляет большой интерес и для выяснения некоторых особен­ностей геологического строения дна морей и океанов, обна­ружения тектонических нарушений и выходов более древних пород.

Количественная оценка выноса солей с подземными водами в моря и океаны, помимо определения роли подземных вод в солевом балансе, позволяет охарактеризовать денудационную деятельность подземных вод, т. е. оценить масштабы снижения поверхности земли приморских территорий в результате субма­ринного подземного стока.

Выше мы лишь назвали основные проблемы, стоящие перед исследователями субмаринных подземных вод. Даже такое крат­кое их рассмотрение объясняет тот интерес, который вызывают работы в этих направлениях. В специальной литературе неоднок­ратно отмечалось важное научное и практическое значение изу­чения подземного стока в моря и процессов подземного водо­обмена суши и моря (Куделин и др., 1971; Джамалов и др., 1977; Зекцер и др., 1984). На данной стадии развития науки, с учетом конкретных запросов практики можно сформулировать пять направлений исследований в этой области, в отдельных аспек­тах достаточно тесно связанных между собой:

1) изучение роли подземного стока в общем водном балансе Земли и глобальном круговороте воды; 2) оценка влияния под­земных вод на формирование водного и солевого балансов мо­рей и крупных озер; 3) изучение взаимодействия морских и под­земных вод в прибрежных районах; 4) изучение областей раз­грузки пресных подземных вод в прибрежных зонах морей с целью их использования для водоснабжения; 5) изучение влия­ния подземных вод на формирование месторождений полезных ископаемых на дне морей и океанов и роли субмаринного под­земного стока в геологических процессах.

Таким образом, можно сделать вывод, что в настоящее вре­мя в области наук о Земле формируется новая отрасль знаний - морская гидрогеология, самостоятельная ветвь общей гидроге­ологии. Морская гидрогеология тесно связана с морской гео­логией, гидрогеологией суши, океанологией, гидрохимией и рядом других наук. Объект исследования морской гидрогеоло­гии - субмаринные подземные воды, или, в более общем виде, субмаринная гидросфера, ее свойства, состав, строение, процес­сы формирования. Предмет морской гидрогеологии на данной стадии ее развития - всестороннее изучение подземного водо­обмена суши и моря - одного из элементов общего круговорота воды в природе.