Атмогенный этап
Включает в себя время формирования состава атмосферных осадков. На этом этапе природные воды формируются в условиях атмосферы и становятся преимущественно ультрапресными, слегка кислыми с очень высоким окислительно-восстановительным потенциалом. Их состав зависит преимущественно от климатических условий и меняется в соответствии с региональной климатической зональностью. Этот этап определяет тот начальный состав, с которого начинается формирование вод зоны гипергенеза. Этот начальный состав называют атмогенной составляющей состава подземных вод. Самым важным компонентом ее является молекулярный кислород, задающий самый высокий окислительно-восстановительный потенциал. Присутствие CO2 способствует снижению pH ниже 7.
Биогенный этап
Включает время прохождения атмосферных осадков сквозь биосферу, наиболее важными компонентами которой являются растительность и ее корневая система, богатый органическим веществом почвенный слой и биоценоз зоны аэрации. На этом этапе состав вод формируется при активном участии живых организмов на поверхности, процессов разложения органического вещества и формирования почв. Атмосферные осадки, попадая в биосферу, принимают участие в биогеохимическом круговороте вещества. Это участие продолжается и тогда, когда они превращаются в подземные воды верхней части зоны гипергенеза.
На этом этапе природные воды обогащаются органическим веществом и продуктами его минерализации, но теряют влагу, калий и многие другие компоненты поглощаемые корневой системой растительности.
С другой стороны, атмосферные осадки, попав в биосферу, растворяют и поглощают органические и минеральные компоненты, которые образуют живые организмы.
Изменения состава подземных вод на биогенном этапе связаны преимущественно с поглощением органических соединений и их минерализацией. Эти изменения относят к биогенной составляющей, которая в условиях неполной минерализации органических веществ представлена преимущественно органическими кислотами, прежде всего гуминовыми кислотами и фульвокислотами, а при полной минерализации — двуокисью углерода и бикарбонатом. Самым важным продуктом этой составляющей является CO2, которая вносится в почвенную атмосферу в результате респирации растений и жизнедеятельности бактерий. Поэтому воды, просачивающиеся через почву, содержат обычно в 10 — 100 раз больше растворенной двуокиси углерода, чем дождевые воды. Эта CO2 является источником кислотности для большинства реакций выветривания. Ее присутствие способствует снижению pH ниже 7. Подземные воды на биогенном этапе становятся наиболее кислыми.
| [[3]] Особая роль принадлежит лесным подстилкам, которые сейчас принято называть важнейшими биогеохимическими барьерами. Одновременно подстилки являются источниками элементов, которые активно используются в круговороте. Это особенно важно в олиготрофных экосистемах. Хорошо известна, например, довольно высокая продуктивность сосняков на бедных кварцевых песках, где основным депо элементов служат лесные подстилки. |
| Биогенный этап формирования состава подземных вод непосредственно связан с формированием почв. Почвообразование представляет собой чрезвычайно сложный процесс, включающий участие растений, животных, микроорганизмов и неорганических процессов. В зависимости от климата почвы можно подразделить на две главные категории: педальферные и педокальные. В условиях гумидного климата, где атмосферных вод достаточно, Ca легко высвобождающийся из первичных минералов, переходит в раствор. Вследствие этого почвы почти не содержат CaCO3, обычно обогащены Al и Fe, и часто называются красноземами или педальферными почвами. В умеренно влажных климатических зонах органика минерализуется до органических кислот, что способствует вымыванию Fe и Al из верхних почвенных слоев и накоплению их в виде тонкозернистых слабоокристаллизованных гидроокислов или глинистых минералов. В тропических влажных климатических зонах органическое вещество минерализуется преимущественно до CO2 и HCO2−. Это способствует выщелачиванию и растворению кварца, и накоплению Fe и Al. В итоге образуется почвы, состоящие в основном из гидроокислов Fe и Al. Если такая почва содержит относительно мало железа, она называется бокситной, в других случаях — латеритной. В аридных климатических зонах CaCO3 накапливается, а образующиеся при этом почвы называются педокальными. При этом CaCO3 иногда образует стяжения, называемые калькретами. В педокальных почвах процессы почвообразования характеризуются менее интенсивным выщелачиванием, в связи с чем наблюдается более слабое развитие почвенного профиля. Такие почвы обычно классифицируются по цвету, который определяется в основном количеством органического вещества в почве, а в очень аридных условиях — присутствием растворимых золей. Тип почвы, образующийся в данном климате, сильно зависит от природы коренных пород, рельефа, растительности и времени, в течение которого протекал процесс почвообразования. В общем, чем засушливее климат, тем ближе калькреты к поверхности земли. Почвы степей в России, Великих Равнин и юго-западной части США преимущественно педокальные. |
Атмогенный и биогенный этапы формируют состав подземных вод, как правило, до их проникновения в зону полного насыщения. Поэтому их можно рассматривать как подготовительные этапы.
Литогенный этап
Включает в себя все время фильтрации вод от областей питания до областей разгрузки, которое часто определяют как возраст подземных вод. На этом этапе формирование состава подземной воды определяется их массообменом с вмещающими породами и с артезианскими водами.
Выветривание и растворение карбонатных, силикатных или эвапоритовых минералов освобождает элементы в воду. Некоторые минералы, подобные карбонатам и эвапоритам, растворяются быстро и существенно меняют состав воды уже в почве, тогда как другие, подобные силикатам, растворяются медленно и имеют мало заметный влияние на состав воды.
Состав почвенных вод и подземных вод будет зависеть от типа породы, через которую вода фильтруется. Например, в ультраосновных породах богатых оливином и пироксеном Mg2+ будет преобладающим катионом и в почве, и в подземной воде. В карбонатных породах главным катионом в почве и пресной подземной воде будет Ca2+. Если Ca2+ и Mg2+ присутствуют в почве и подземной воде в почти равных концентрациях, они, вероятно получены из доломита CaMg(CO3)2.
Испарительный этап
Заключается в удалении влаги из состава грунтовых вод в условиях крайне затрудненного водообмена. Этот период формирования грунтовых вод имеет значение только в условиях аридного климата. Он не влияет заметно на относительный вклад рассмотренных выше составляющих, но способствует накоплению их компонентов и повышению минерализации грунтовых вод.
| [[4]] В связи с небольшим содержанием воды, приходящейся на почвенную сферу, атмосферная вода, пройдя через почву и подстилающие породы, попадает в почвенно-грунтовые воды и далее выклинивается в реки, озера, моря и океаны. Для северных экосистем характерен более упрощенный путь поступления вод в реки. Это связано с близким уровнем залегания многолетнемерзлых пород, при котором почвенные растворы не проникают глубже 1—2 метров, а довольно быстро вместе с верховодкой поступают в ручьи и далее в реки или озера. Но и в этом случае обращает на себя внимание то, что для системы почвенные растворы — реки — озера характерно два существенных изменения содержания элементов. Первый барьер — это органогенные горизонты почвы, а второй — это собственно озера. Относительное изменение в последних, особенно — содержания кремния, явно указывает на его расходование в процессе развития фитопланктона. В числе важнейших этапов изменения скорости и количества воды, участвующей в круговороте, следует появление на земле покрытосемянных, резко увеличившее скорости передвижения воды, на что обращали внимание даже геологи. Достаточно сказать, что в покрытосемянных растениях по сравнению с голосеменными скорость передвижения воды почти на порядок выше. |
———
[[5]] Каждый этап вносит свой вклад в формирование состава подземных вод. В первые три этапа формирование вод связано с привносом в их состав растворенных компонентов, преимущественно минеральных. Лишь на последнем этапе формирование связано не с привносом, а с потерей влаги и других летучих соединений. Поэтому можно говорить о составляющих состава, связанных с рассмотренными этапами.
Можно выделить четыре главных генетических составляющих состава подземных вод, формирующихся в условиях гипергенеза, которые по своей генетической природе и формированию независимы друг от друга. К таким составляющим следует относить компоненты атмосферного, биогенного, литогенного и артезианского происхождения.
Атмосферная составляющая
Определяется преимущественно количеством атмосферных осадков и интенсивностью их испарения. Ее максимальные абсолютные значения приходятся либо на районы наибольшего количества осадков, южная тайга и лесостепи. Минимальные значения тех же величин попадают на районы с относительно небольшим количеством осадков и слабой испаряемостью (тундра, северная тайга и степи), а также удаленные от морей и океанов и с хорошо промытыми породами (высокогорье).
Биогенная составляющая
Зависит от биологической продуктивности и скорости минерализации органического вещества. При этом в зоне гипергенеза в состав грунтовых вод переходит и минерализуется всего только несколько процентов от всего образуемого на поверхности органического вещества. Даже во влажных саваннах в состав грунтовых вод переходит не более 10% генерируемого на поверхности органического вещества. Поэтому в грунтовых водах провинций содержание биогенных продуктов ограничивается не количеством органических веществ, а скоростью и характером его разложения.
Литогенная составляющая
Формируется за счет массообмена между грунтовыми водами и породой на пути ее фильтрации. Ее абсолютная величина заметно уступает атмогенной и биогенной составляющим.