Раздел II. Экологическая гидрогеохимия

Глава 8. ВОДА И ЖИЗНЬ

Вода в живых организмах. «Жизнь – это одушевленная вода». Такие слова профессора Дюбуа, сказанные еще в конце ХIХ века, являются ключевыми для понимания роли воды в жизни биосферы. Жизнь и вода тесно связаны между собой, поскольку без воды жизнь невозможна. Организм представляет собой жидкие, полужидкие водные и коллоидные системы. Содержание воды в живых организмах обычно превышает 65-70 %.Через них в течение года проходит такая масса воды, которая во много раз превышает их собственный вес. Отсюда следуют два важных вывода: 1) в каждый данный момент общая масса воды в биосфере достигает 10¹⁸ – 10¹⁹ граммов, что составляет примерно сотые доли процента веса земной коры мощностью 20 км или сотые доли процента от веса воды в Мировом океане; 2) через живые организмы в течение нескольких сотен лет проходит объем воды равный таковому в Мировом океане.

Биофильные элементы. Вода в организме находится преимущественно в жидкой, а также в газообразной фазах. Водно-коллоидные системы, циркулирующие в живых организмах, имеют сложный химический состав. Так, у многих представителей животного мира химический состав водных растворов близок к таковому в морских бассейнах. Возможно, это свидетельствует о том, что много миллионов лет тому назад жизнь начиналась в морских бассейнах. Водно-коллоидные системы постоянно эволюционировали на всем протяжении истории развития биосферы. Они находятся в тесной взаимосвязи с воздушной, водной и литосферной оболочками нашей планеты и органно-минеральной основой своего тела. На построение своего тела кроме кислорода и водорода, приходящих с водой, биоте требуются следующие компоненты: углерод, азот, кальций, фосфор, сера, натрий, калий, магний, хлор, железо, а также марганец, цинк, свинец, медь, никель, кобальт, селен, ванадий, кремний, мышьяк, сурьма и др. (глава 2). Нарушение химического баланса вещества приводит к заболеванию биоты, а иногда и к ее гибели. Указанные компоненты находятся в непрерывном движении, которое регулируется биохимическими циклами как внутри организма, так и при обмене вещества с внешней средой. Изучают два типа такого обмена – медленный и быстрый. В первом случае происходит обмен вещества с литосферой и гидросферой, а во втором – с атмосферой. Взаимодействие биофильных элементов с лито- и атмофильными элементами рассмотрено в главе 13 (табл. 13, 14).

Технофильные элементы. Новая ситуация возникает в связи с усиливающимся воздействием техногенных процессов на биосферу. В результате этих процессов происходит обмен масс живого вещества с косной материей. Если в доантропогеновое время биота использовала вещества, которые ей необходимы для жизнедеятельности, то после появления человека направленность и интенсивность биогеохимических процессов значительно изменились. Заметно увеличилось количество элементов, вовлекаемых биотой в биогеохимический круговорот вещества. Их число возросло во много раз, а продолжительность циклов обмена веществом стала значительно зависеть от техногенных факторов и потому трудно поддаваться объяснению и объективной оценке.

А.И. Перельман [48] ввел понятие о технофильности элементов, а Ф.И. Тютюнова [55] провела статистический анализ для 30 химических элементов. Она оценивала степень использования этих элементов в техногенных процессах для периода с 1800 по 2025 год (в ХХΙ веке в порядке прогноза). По степени технофильности изучаемые элементы были разделены на пять групп: супертехнофильные, высокотехнофильные, технофильные, слаботехнофильные и очень слаботехнофильные. В группу супертехнофильных элементов включены такие из них, которые являются основой состава подземных вод. Главное место среди них занимают анионогенные элементы: хлор (Cl^-), сера (, HS^- и др.), углерод (, ), биофильные соединения – азот ( , ), селен (Se), свинец (Рb), медь (Сu), бром (Вr) и др. В группу высокотехнофильных включены следующие элементы: железо (Fe), кальций (Ca), цинк (Zn), мышьяк (As), хром (Cr), уран (U), никель (Ni), молибден (Mo), ртуть (Hg) и другие.

Химические элементы супер- и высокотехнофильной групп обуславливают загрязнение подземных вод в большинстве регионов мира. В этих процессах особенно усилилось участие таких элементов, как углерод, азот и железо. Обычно транспортировка, переработка и сжигание углеводородов приводили к почти повсеместному загрязнению окружающей среды. Особенно активно в этих процессах участвуют нефть и нефтепродукты. Огромное количество промышленных и коммунальных стоков, широкое применение азотных удобрений способствуют региональному загрязнению подземных вод азотными соединениями. Из недр извлечены миллиарды тонн железа. На его окисление из атмосферы уходят значительные массы кислорода. Образующиеся при этом окислы железа активно участвуют в гипергенных процессах, загрязняя природную среду. С другой стороны, ухудшение условий водообмена, замена окислительной среды восстановительной в результате техногенных процессов приводит к появлению и накоплению в подземных водах двухвалентного железа.

Глобальный характер приобрело радиоактивное загрязнение окружающей среды и подземных вод. Оно связано с массовыми испытаниями ядерного оружия в 50-х – 60-х годах прошлого века, катастрофами на эксплуатирующихся атомных станциях, переработкой, транспортировкой и хранением ядерных отходов.

Ф.И. Тютюнова [55] рассматривает два вида метаморфизации химического состава подземных вод – частичную и полную. При частичной метаморфизации изменяется только микрокомпонентный состав подземных вод, а также величины pH-Eh при сохранении их макрокомпонентного состава. Полная метаморфизация химического состава подземных вод характеризуется глубокими преобразованиями, вплоть до смены их химического типа.

Вода участвует в разных видах круговорота (климатическом, гидрологическом, гидрогеологическом, геологическом), а также в его биологическом и техногенном циклах, которые в совокупности определяют условия жизни на нашей планете. С другой стороны, биосфера активно участвует в процессах своей жизнедеятельности, обеспечивая определенный уровень ее организации, регулирования и контроля. Появление человека привело к нарушению существовавших природных равновесий, созданных ранее. В атмосфере, например, уменьшается содержание кислорода, увеличивается количество углекислого газа, возрастает ее запыленность и загрязненность, поднимается среднегодовая температура воздуха. Промышленные и бытовые стоки значительно ухудшили гидрохимический режим поверхностных водотоков и водоемов. Пресные подземные воды зоны гипергенеза испытывают в некоторых районах мощную техногенную нагрузку, что приводит к уменьшению их ресурсов и ухудшению качества. Строительство и эксплуатация промышленных и гражданских сооружений, разработка месторождений полезных ископаемых и другая инженерно-техническая деятельность приводят к созданию нового ландшафта, изменению водного баланса и перемещению огромных масс пород. В результате на урбанизированных территориях природная среда становится техногенной со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Экологические функции подземной гидросферы. Подземная гидросфера в этих условиях выполняет важные экологические функции, которые можно распределить по следующим направлениям: ресурсное, гидрогеохимическое, защитное, эволюционное, гидрогеодинамическое, гидрогеофизическое, энергетическое и информационное.

Ресурсная функция. Пресные подземные воды – это последний резерв человечества, который позволит ему выжить в условиях надвигающегося водного кризиса. При этом важно отметить, что рост водопотребления значительно опережает рост народонаселения. В прошлом веке водопотребление возросло с 400 до 4000 км³/год, а численность населения увеличилась с 3 до 6 млрд человек. Общее водопотребление в нашей стране приближается к 100 км³/год. Подземные воды в этом балансе составляют примерно одну треть. Модуль подземного стока равен в среднем 0,76 л/с ∙ км². Общие ресурсы пресных подземных вод оцениваются в 350 км³/год [61].

Гидрогеохимическая функция подземной гидросферы может быть охарактеризована качеством подземных вод, их потребительским уровнем. Подземные воды могут использоваться для питьевых, хозяйственных, лечебных целей, в качестве сырья для извлечения ценных компонентов. Химический состав подземных вод изучается при поисках месторождений полезных ископаемых, для прогнозирования его изменения под действием техногенных и природных процессов, при строительстве инженерных сооружений и подземных коммуникаций, осушении горных вырабаток и работе водозаборов. Предельно допустимые концентрации (ПДК), поисковые показатели и другие критерии практического применения подземных вод устанавливаются нормативными документами: СанПиНами [52], ГОСТами и различного рода инструкциями [18]. С их помощью проводится оценка химической составляющей подземных вод, делаются выводы о состоянии системы вода ↔ порода↔ газ ↔ живые организмы в процессах рассеяния и концентрирования вещества.

Защитная функция подземной гидросферы определяется ее способностью к самоочищению подземных вод и улучшению экологических параметров вмещающей ее среды. Эта способность определяется действием как прямых, так и косвенных факторов. Среди прямых факторов наибольшее значение имеют концентрация вещества и формы его миграции (ионная, комплексная, коллоидная и др.), Еh-рH среды, состав газа, температура, минеральный состав пород, их сорбционные свойства и водопроницаемость, проявления криогенеза, процессы привноса, трансформации и выноса загрязнителя, а также другие показатели. Опосредованное действие на самоочищение подземных вод оказывают радиационный и водный баланс территории, уклон местности, почвенный и растительный покровы, гидродинамические условия и гидравлическая связь между водоносными горизонтами и т.п. Методы оценки защищенности и уязвимости водоносных систем от загрязнения рассматриваются в главе 15.

Эволюционная функция. Подземная гидросфера прошла сложный путь своего развития от простейшего появления в земной коре (4,2 млрд лет тому назад) до многослойного, многоярусного образования, находящегося в тесной взаимосвязи с другими оболочками Земли (атмосферой, поверхностной гидросферой, литосферой и биосферой) в современную эпоху. Вода «всюдна», как сказал академик В.И. Вернадский, она возносится на сотни километров от поверхности Земли в стратисферу и участвует в геологических процессах, происходящих в мантийных глубинах. Вода, представленная свободными и связанными формами, может иметь инфильтрационное, литогенное, магматогенное, метаморфогенное, мантийное и биогенное происхождение. В процессе эволюции нашей планеты состав, структура и свойства воды становятся все более контрастными, их изменения носят закономерный характер, фиксируются в виде различных зон (гидродинамической, гидрохимической, температурной, изотопной, микробиологической, газовой и других). Круговорот воды, вещества и энергии нарушает указанные закономерности. Особо важную роль при этом выполняет водный круговорот, который может быть климатическим, гидрологическим, гидрогеологическим и геологическим. За время эволюции Земли вся вода, находящаяся на планете, многократно участвовала в указанных циклах. Это означает, что сейчас мы наблюдаем одно из звеньев в цепи бесконечных преобразований воды в процессе эволюции нашей планеты. Вода непрерывно меняла свое фазовое состояние, химический, газовый и микробиологический состав, структурированность, температуру и другие свойства и состояния. Из этого следует, что гидросфера никогда не повторяла свой облик в прошлом и никогда не повторит его в будущем. С другой стороны, подземные воды как молодые, так и особенно древние, несут на себе следы влияния прежних геологических эпох. Первичных вод, не затронутых влиянием окружающей среды, не может быть. Воздействие палеособытий на условия формирования и распространения подземных вод может быть всегда зафиксировано теми или иными способами. Необходимость такой оценки нередко возникает при решении конкретных научных и производственных задач (возраст, генезис, процессы, формирование состава вод и ресурсов).

Гидрогеодинамическая функция. Вода находится в непрерывном движении, меняя при этом формы своего существования (жидкую, парообразную, твердую, молекулярную, надкритическую). Всё ею в земной коре, по выражению В.И. Вернадского, охвачено и пронизано. Вода участвует во всех геологических процессах, активно изменяя вмещающую ее среду. Особенно велика ее роль в геодинамических явлениях – землетрясениях, образовании диапиров, грязевом вулканизме, формировании рельефа и других геодинамических процессах.

Геофизическая функция. Подземная гидросфера участвует в создании ряда геофизических полей – гравитационного, электрического, магнитного, радиоактивного и теплового. С одной стороны, эти поля оказывают влияние на деятельность подземных вод, сказываются на свойствах и поведении флюидов. С другой стороны, подземные воды участвуют в создании геофизических полей. Так, окислительно-восстановительный потенциал (Еh) характеризует электрическую заряженность подземных вод. Известно, что омагниченная вода изменяет свою структуру и свойства. Вследствие своей подвижности вода заметно расширяет радиоактивное поле. Она является переносчиком тепла. Подземные воды обеспечивают перераспределение тепла в недрах Земли. Так, например, они контролируют аккумуляцию солнечной энергии, что приводит к образованию гелиотермозоны. Во время сильного похолодания и образования покровного оледенения во многих регионах мира сформировалась многолетняя мерзлота мощностью многие сотни метров.

Энергетическая функция подземной гидросферы проявляется в аккумуляции, перераспределении и передаче различных видов энергии посредством подземных вод. Подземные воды участвуют в работе своеобразной тепловой машины, которая приводится в действие солнечной радиацией, эндогенными процессами, функционированием систем вода ↔ порода ↔ газ ↔ живые организмы. Энергия, которая при этом возникает, может быть механической, тепловой, химической, биогенной.

Информационная функция подземной гидросферы проявляется весьма разнообразно. Она может быть прочитана по составу и свойствам воды, по различным показателям, определяющим ее практическую пригодность, по характеристикам движения, режима и баланса подземных вод и другим их особенностям. Память воды может быть весьма своеобразной. Как показали исследования японского ученого Масару Имото, вода реагирует на человеческий голос, музыку, события, происходящие в мире изменением своей структуры и образованием своеобразных кристаллов льда. В этом можно видеть нечто мистическое или символическое, потому что человек сам на 70 % состоит из воды. Ведь подобное всегда реагирует на подобное. Насколько правильными окажутся такие предположения покажут последующие исследования.