Глава V. МАТЕРИКОВЫЕ ВОДЫ
§ 1. Понятие о гидросфере
Гидросфера - водная оболочка Земли. Она включает в себя всю хи-
мически не связанную воду, независимо от ее агрегатного состояния.
Гидросфера состоит из Мирового океана и вод суши. Общий объем
гидросферы около 1400 млн. км3, причем главная масса воды - 96,5% -
воды Мирового океана, соленые, непригодные для питья. На долю ма-
териковых вод приходится лишь 3,5%, из которых более 1,7% содер-
жится в виде льда и только 1,71% в жидком состоянии (реки, озера,
подземные воды). Остальной объем водной оболочки Земли, или гид-
росферы, находится в связанном состоянии в земной коре, в живых
организмах и в атмосфере (примерно 0,29%).
Вода - хороший растворитель, могучее транспортирующее средст-
во. Она перемещает огромные массы веществ. Вода - колыбель жизни,
без нее невозможно существование и развитие растений, животных и
человека, его хозяйственная деятельность. Гидросфера - аккумулятор
солнечного тепла на Земле, громадная кладовая минеральных и пище-
вых ресурсов человека.
Гидросфера едина. Ее единство - в общности происхождения всех
природных вод из мантии Земли, в единстве их развития, в простран-
ственной непрерывности, во взаимосвязи всех природных вод в систе-
ме Мирового круговорота воды (рис. V.1).
Мировой круговорот воды - это процесс непрерывного перемеще-
ния воды под воздействием солнечной энергии и силы тяжести, охва-
тывающий гидросферу, атмосферу, литосферу и живые организмы. С
земной поверхности под действием солнечного тепла вода испаряется,
причем большая ее часть (около 86%) испаряется с поверхности Миро-
вого океана. Попадая в атмосферу, водяные пары при охлаждении кон-
денсируются, и под действием силы тяжести вода возвращается на
земную поверхность в виде осадков. Значительное количество осадков
121
выпадает снова в океан. Круговорот воды, в котором принимают уча-
стие только океан и атмосфера, называется малым, или океаническим,
круговоротом воды. В мировом, или большом, круговороте воды уча-
ствует суша: испарение воды с поверхности океана и суши, перенос
водяных паров с океана на сушу, конденсация паров, образование об-
лаков и выпадение осадков на поверхность океана и суши. Далее - по-
верхностный и подземный сток вод суши в океан (рис. V.1). Таким об-
разом, круговорот воды, в котором кроме океана и атмосферы прини-
мает участие и суша, называется мировым круговоротом воды.
Рис. V.1. Мировой круговорот воды
В процессе мирового круговорота воды происходит постепенное ее
обновление во всех частях гидросферы. Так, подземные воды обнов-
ляются за сотни тысяч и миллионы лет; полярные ледники за 8-15 тыс.
лет; воды Мирового океана - за 2,5-3 тыс. лет; замкнутые, бессточные
озера - за 200-300 лет, проточные - за несколько лет; реки - за 12-14
суток; водяной пар атмосферы - за 8 суток; вода в организме - за не-
сколько часов. Мировой круговорот воды связывает все внешние обо-
лочки Земли и организмы.
Вуды суши - это часть водной оболочки Земли. К ним относятся
подземные воды, реки, озера, ледники и болота. Воды суши заключают
всего 3,5% общих мировых запасов воды. Из них только 2,5% состав-
ляют пресные воды.
§ 2. Современные представления о мировом
122
круговороте воды
Наблюдаемое изменение уровня Мирового океана многими иссле-
дователями объясняется изменением климата. Считается, что совре-
менный подъем уровня обусловлен перераспределением воды с конти-
нентальных блоков в океан за счет речного стока, испарения и дегля-
циации. В схемах общего круговорота объем испарившейся над океа-
ном воды предполагается равным объему воды, поступившей с конти-
нентов в форме речного стока, осадков и таяния ледников:
Е = Р + R,
где Е - испарение, Р - атмосферные осадки, R - региональный, подзем-
ный и др. виды стоков, контролируемые атмосферными осадками. Од-
нако данная схема верна лишь в первом приближении и реализуется
при условии постоянства общей массы воды на поверхности Земли и
неизменной емкости океанических и морских впадин. Если же рас-
сматривать планету как открытую термодинамическую систему, то
необходимо учитывать эндогенные поступления воды и ее потери при
фотолизе. Иными словами, в балансе глобального круговорота воды на
поверхности Земли должны присутствовать по меньшей мере еще че-
тыре статьи:
Приход: Расход:
1) поступление внутрипланетар- 1) потери воды при фотолизе;
ной (эндогенной) воды; 2) другие потери (на увлажнение
2) поступление космической морских осадков, биосферы и
воды др.).
Без учета этих факторов реальная картина изменения уровня Миро-
вого океана будет отображена неверно, особенно в палеогеографиче-
ском аспекте и при прогнозе на будущее.
Длительное время в науках о Земле существуют представления о
большой древности современного объема гидросферы и чрезвычайно
медленных ее изменениях в настоящем и будущем. Предполагается,
что вода на Земле образовалась конденсационным путем сразу после
аккрекции протопланетарного вещества либо накапливалась в процес-
се дегазации и вулканизма. Отсюда делается заключение о древности
Мирового океана, современных размеров и глубины, которые он при-
обрел еще в докембрии (600-1000 млн. лет назад). Построенная на та-
ком фундаменте теория эволюции земной коры и лика Земли в целом
123
выглядит "безводной”, так как гидросфера либо задавалась планете
изначально, либо приобреталась ею примерно в середине докембрия.
В результате многолетних исследований материалов глубоководно-
го бурения американского судна "Гломар Челленджер” (1968-1989 гг.)
о разновозрастных мелководных образованиях, обнаруженных в разре-
зе осадков и базальтов дна Атлантического, Индийского и Тихого
океанов (DSDP, 1969-1989), было впервые сделано теоретическое
обоснование количественного определения средней скорости и массы
ежегодных поступлений эндогенной воды на поверхность Земли в со-
временный период и последние 160 млн. лет. Обнаружен рубеж их бы-
строго (более чем на порядок) возрастания и получена закономерность,
описывающая это явление.
V(t) = a·exp (-t/c) + в (мм/1000 лет),
где а = 580 мм/1000 лет; в = 25 мм/1000 лет; с = 14,65 млн. лет; t - вре-
мя в млн. лет (рис. V.2).
Поскольку скорость эндогенных поступлений свободной воды в
полученном эмпирическом графике V(t) и его аппроксимации опреде-
лена в мм/1000 лет, то это позволяет количественно оценить среднюю
массу ежегодно выносимой в ходе дегидратации свободной воды на
поверхность Земли в течение последних 160 млн. лет и исторического
периода голоцена.
Инструментальными наблюдениями на водомерных постах с 1880
по 1980 г. установлено, что уровень моря поднимается со средней ско-
ростью 1,5 мм/год. Этот подъем обусловлен не потеплением климата,
как принято считать, а складывается из следующих статей: 0,7 мм/год
за счет таяния 250 км3 шельфовых антарктических и гренландских
ледников; 0,02 мм/год за счет аккумуляции 7 км3 осадков. Оставшаяся
часть (0,78 мм/год) составляет главным образом эндогенные поступле-
ния воды с продуктами вулканизма, по глубинным разломам, сольфа-
тарам, фумаролам и кондуктивным путем. И это нижний предел фик-
сируемого выноса эндогенной воды, так как подъем уровня происхо-
дит на фоне продолжающегося углубления дна Мирового океана в зо-
нах рифтовых хребтов, континентальной окраины Тихого океана,
вдоль желобов островных дуг и области Средиземноморья, маркируе-
мых плиоцен-четвертичной сейсмичностью и вулканизмом. Следует
также учитывать, что почти 20% выносимой из недр воды идет на ув-
лажнение морских осадков. Таким образом, полученное значение - 0,78
мм/год - с полным основанием можно округлить до 1,0 мм/год. Это
124
значение, определенное независимым от данных бурения путем, тем не
менее хорошо укладывается в общий ход графика V(t) (рис. V.2). Это
служит дополнительным подтверждением общей тенденции экспонен-
циального возрастания темпов и массы выноса эндогенной воды с кон-
ца мелового периода.
Рис. V.2. График, характеризующий скорость опускания океанических
сегментов Земли (правая часть) и поступления эндогенной воды в последние
160 млн. лет и в будущем, рассчитанный по данным о современной гипсо-
метрии разновозрастных мелководных отложений "Гломар Челленджер”:
1 - по скважинам Тихого, 2 - Атлантического, 3 - Индийского океанов;
4 - вода, 5 - глубоководные осадки, 6 - мелководные осадки, 7 - базальты.
Левая часть графика характеризует скорость поступления воды
в будущем, штриховкой показаны доверительные интервалы,
вычисленные с вероятностью 0,95%
125
Таким образом, с точностью до порядка величин ежегодные посту-
пления свободной воды на поверхность Земли в исторический период
голоцена составляли 3,6·1017 г.
Средняя скорость поступления воды за последние 160 млн. лет, оп-
ределенная из графика V(t) и по формуле:
1 149
V(t) = ∑ Vi ( t ) , (n = 1, 2 ... 149)
n i=1
равна 0,01 см/год, что в пересчете на массу при средней площади юр-
ско-меловых кайнозойских морских бассейнов, близких современным,
дает примерно 3,6·1016 г/год, т.е. на порядок меньше, чем в голоцене.
Следовательно, за период спонтанной дегидратации и океанизации
Земли (60 млн. лет) было переброшено воды на поверхность:
3,6·1016 г/год × 60·106 лет = 2,2·1024 г.
Это на 0,5·1024 г больше массы современной гидросферы, равной
1,64·1024 г. Возникает вопрос: куда девалась эта огромная масса воды?
Чтобы ответить на него, нужно вспомнить, что за 60 млн. лет океани-
зации на дне океанов образовался слой осадков со средней мощностью,
равной 500 м. Поскольку их влажность, по данным бурения, в среднем
равна 30%, или (по уровню) 3·104 см, то можно оценить массу захоро-
ненной в толще морских осадков воды:
300·1016 см2 × 3·104 см × 1,03 г/см3 ≈ 0,1·1024 г.
Полученное значение составляет примерно 20% от величины из-
бытка - 0,52·1024 г, т.е. ежегодно на увлажнение донных осадков идет
1,7·1015 г, или 5% от средних в период океанизации (3,6·1016 г) ежегод-
ных поступлений свободной воды. Следовательно, оставшаяся часть
воды 0,42·1024 г, отсутствующая в современном объеме гидросферы,
была утрачена на фотолиз. Отсюда можно определить массу ежегод-
ных потерь воды при диссоциации ее молекулы в верхних слоях атмо-
сферы под действием жесткого корпускулярного солнечного излуче-
ния:
0,42·1024 г / 60·106 лет = 7·1015 г,
т.е. потери на фотолиз составляют около 2,5% от современных поступ-
лений свободной воды (3,6·1017 г).
Определение порядка величин этих не известных ранее в научной
литературе статьей баланса свободной воды имеет принципиальное
126
значение при оценке общей направленности эволюции земной гидро-
сферы, соотношения площади суши и моря, а с ними климата и при-
родной среды в геологическом масштабе времени и исторической пер-
спективе.
В современных схемах баланса воды на Земле объем испарившейся
над океанами и морями воды многими исследователями считается рав-
ным объему вод, вернувшихся в Мировой океан с осадками, речным и
поверхностным стоком, таянием ледников. Однако следует признать,
что данная схема круговорота воды верна лишь в первом приближении
и реализуется при условии постоянства общей массы воды на поверх-
ности Земли и неизменной емкости впадин Мирового океана. Иными
словами, эта схема соответствует закрытой термодинамической систе-
ме с замкнутым циклом. Но такая система, как известно, не производит
работы, ибо находится в стабильном равновесии. Ее энтропия макси-
мальна, чего, как мы показали выше, в условиях реальной Земли не
наблюдается, ибо существует приток внутрипланетарной воды и дис-
сипация части ее в космическое пространство. На основе найденной
нами закономерности V(t) эти статьи баланса отныне определены и в
существующих схемах круговорота воды на Земле.
Приход: Расход:
поступление эндогенной потери воды на фотолиз - 7·1015;
воды - 3,6·1017 г/год; потери воды на увлажнение мор-
поступление космогенной ских осадков, биосферы, другие
воды - 5·1010 г/год. неучтенные потери - 1,7·1015 г.
Всего 3,6·1017 г/год Всего 8,7·1015 г
Поясним пункт "поступление космогенной воды”. Масса космиче-
ского вещества, выпадающего ежегодно на Землю, оценивается в
1012 г. В пересчете на воду (5% - исходя из данных по метеоритам), это
составляет 5·1010 г/год, т.е. около 0,00001% от ежегодных эндогенных
поступлений. Поскольку содержание космогенного вещества в разре-
зах земной коры известно и не превышает современных поступлений,
то из этого можно заключить, что земная гидросфера имеет исключи-
тельно внутрипланетарное происхождение - она важнейший продукт
эволюции протовещества.
Полученные планетарные статьи баланса свободной воды имеют
принципиальное значение для восстановления картины эволюции лика
Земли в геологическом масштабе времени. Малые в годовом исчисле-
127
нии массы эндогенной и диссипирующей воды, являясь постоянно
действующим фактором, по существу, определяют динамику эволю-
ции поверхности Земли.
Учитывая установившийся на протяжении 60 млн. лет характер
процесса дегидратации и океанизации было бы безосновательным
ожидать его внезапного спада, равно как и еще большего возрастания в
ближайшие сотни и тысячи лет - масштаба времени, ничтожного в
сравнении с установленной общей длительностью этого процесса. Это
позволяет дать прогноз относительно будущих изменений уровня
океана, а с ним климата и природных условий. Без учета дегляциации
полярных ледников через 10 тыс. лет уровень океана поднимется на 8
м, а через 100 тыс. лет - на 80 м.
Таким образом, новое уравнение водного баланса должно иметь
следующий вид:
P + R + T - E - F = N (N>0),
где Т - эндогенные поступления воды, F - потери на фотолиз. Однако в
ходе трансгрессии, которая не может быть сколько-нибудь компенси-
рована увеличением емкости океанских впадин (за столь короткий в
геологическом отношении промежуток времени), общее потепление
климата Земли неизбежно. Следовательно, полярные ледники по-
прежнему будут сокращаться и эндогенная трансгрессия, как и сего-
дня, будет усилена эвстатической - на 63-65 м в первые же 10 тыс. лет.
Заметим, что в этой оценке не учитываются темпы опусканий побере-
жий, наблюдаемые на 13% окраин материков.
Из приведенного ясно, что современный баланс суши и моря - это
краткий миг в геологической истории Земли. Он продолжает изменять-
ся, и общее направление этой изменчивости определено - океан, уг-
лубляясь, продолжает расширять свои границы за счет суши.
Таким образом, во всех реконструкциях системы континент-океан
отныне необходимо учитывать постоянно действующий фактор посту-
пления эндогенной воды, который в кайнозойскую эру океанизации в
среднем составлял 3,6·1016 г/год, или 0,1 мм/год по уровню, а в четвер-
тичный период достиг кульминации - 3,6·1017 г/год, или 1 мм/год по
уровню. Современный баланс воды на поверхности Земли можно пред-
ставить в виде схемы и уравнений, представленных на рис. V.3.
Этот фактор, в конечном счете, является определяющим для оценки
климатических изменений прошлого и будущего, деградации поляр-
ных ледников, изменения всей природной среды на поверхности нашей
планеты.
|
