ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2007, № 5, с. 470-473
РЕЦЕНЗИИ
РЕЦЕНЗИЯ
НА ПЕРВЫЙ ТОМ "СИСТЕМА ВОДА-ПОРОДА В ЗЕМНОЙ КОРЕ: ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ, КИНЕТИКА, РАВНОВЕСИЕ, МОДЕЛИРОВАНИЕ" ПЯТИТОМНОЙ МОНОГРАФИИ "ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ И САМООРГАНИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ВОДА-ПОРОДА" (АВТОРСКИЙ КОЛЛЕКТИВ, ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР С.Л. ШВАРЦЕВ)
Задуманная работа и частичное ее воплощение в виде первого тома монографической серии "Геологическая эволюция и самоорганизация системы вода-порода" - заметное явление в современной гидрогеологической литературе. Это попытка систематического изложения учения о процессах взаимного преобразования состава и свойств пород и воды при их подвижном взаимодействии, контролируемом разнообразными природными (геологическими, гидрогеологическими и ландшафтно-климатическими) условиями, а также осмысления современных методов анализа поведения одной из наиболее сложных для количественного описания природных систем, претерпевающей эволюцию как в геологическом (планетарном) масштабе времени, так и на глазах свидетелей ее глубоких техногенных преобразований. Интересно отметить, что почти одновременно с рассматриваемой работой вышел обобщающий труд "Геохимия подземных вод" (авторы С.Р. Крайнов, Б.Н. Рыженко, В.М. Швец, М., Недра, 2004), также посвященный фундаментальным и прикладным проблемам современной гидрогеохимии. Авторы обеих работ (точнее, отдельных их глав, поскольку мы наблюдаем некоторое "смешение" авторских коллективов) представители различных гидрогеохимических школ. Не всегда их точки зрения на описание одних и тех же геохимических процессов, протекающих в подземных водах, совпадают, поэтому, безусловно, для заинтересованного читателя мог бы представить самостоятельный интерес и сопоставительный анализ соответствующих исследований и обобщений, отдельные результаты которых получены в рамках различных концептуальных подходов. Но оставим это поле критики другому потенциальному рецензенту, более компетентному и имеющему склонность к такому роду анализа.
Итак, необходимость появления рецензируемой работы ее авторы объясняют целым рядом достижений современной гидрогеохимии, среди которых: 1) принципиально новые данные о ха-
рактере физико-химического равновесия в системе вода-порода-газ-органическое вещество, позволившие, в частности, расширить представления о механизмах формирования и генезиса уникальных типов минеральных вод; 2) уточнение представлений о вертикальной, поясной и широтной зональности, а также выделение новых провинций химических элементов, нормируемых в питьевых водах; 3) расчет кларковых соединений более 50 химических элементов для подземных вод зоны гипергенеза, а также среднего состава вод выщелачивания и континентального засоления; 4) выявление гидрогеохимических механизмов мобилизации химических элементов в составе осадочных и гидротермальных месторождений; 5) оценка массопотоков подземных вод в земной коре; 6) выявление новых механизмов и форм миграции химических элементов; 7) разработка изотопных методов изучения возраста и генезиса подземных вод; 8) разработка новых программных (компьютерных) алгоритмов и средств физико-химического моделирования гидрогеохимических процессов.
С этим трудно не согласиться. В то же время следует подчеркнуть, что прогресс в современной гидрогеохимии во многом обязан достижениям в области исследования техногенно-природных систем, а именно процессов миграции растворов (часто содержащих вредные для здоровья человека вещества) искусственного происхождения в зоне активного водообмена. Решение данного класса задач потребовало: 1) разработки методов "жесткого" сопряжения гидрогеохимических и гидродинамических (транспортных) модулей при построении обобщенных моделей миграции химических компонентов; 2) выполнения большого объема экспериментальных исследований, нацеленных на изучение параметров многокомпонентной сорбции, ионного обмена, поверхностного комплексообразования и коллоидного транспорта вещества. Довольно хорошо изученными оказались и реакции, ведущие к глубокому преобразованию минеральной фазы пород при взаимо-
действии с растворами разнообразного состава на полигонах складирования и захоронения жидких технологических отходов. Полученные характеристики, а также разработанные численные методы моделирования сопряженных, часто неравновесных процессов, могут использоваться и для гидрогеохимических палеореконструкций, и для изучения формирования природной геохимической зональности подземных вод.
В главе 1 даны основные определения и понятия термодинамики и формальной кинетики, а также рассматриваются главные физико-химические процессы в системе вода-порода, определяющие ее предельное термодинамическое состояние и направленность происходящих в ней изменений состава воды и вмещающих пород. Изложение материала достаточно полное для понимания последующих специализированных глав.
Глава 2 является примером удачного синтеза экспериментального материала и модельных построений, позволившего выявить механизмы кинетического преобразования минеральных поверхностей в процессе их растворения. Представленные исследования конкретизируют понятия кинетики конгруэнтного и инконгруэнтного растворения мономинеральных и полиминеральных поверхностей. Доказывается, что в каждом из видов растворения выделяется несколько элементарных стадий, причем в большинстве случаев диффузионная кинетика носит подчиненный характер. Экспериментальные данные о "реакционных" механизмах растворения подтверждены результатами исследования природных образцов минералов. Достаточно новым и отчасти дискуссионным представляется вывод о несущественном влиянии вторичных минералов, накапливающихся в результате взаимодействия раствора с породой, на растворение первичных минералов.
Материал главы 3 уникален по степени охвата экспериментальных данных, характеризующих практически весь главный спектр породообразующих минералов - силикатов и оксидов. Математическая обработка фактического материала позволила получить целый ряд новых кинетических констант для различного типа реакций растворения. Немаловажно, что в работе предпринята попытка согласования экспериментальных материалов, полученных разными авторами в не всегда эквивалентных опытных условиях, поэтому представленные данные, с определенными оговорками, могут служить справочным материалом при математическом моделировании различных геохимических процессов.
Одно из ограничений, снижающее возможности использования экспериментальных коэффициентов при описании природных процессов, -проведение опытов в условиях, обеспечивающих
накопление в растворах компонентов до значений, далеких от концентраций насыщения. Это затрудняет сравнение оценок времени достижения равновесного состояния той или иной гидрохимической системы, которое было бы не лишним и при анализе условий применимости классических термодинамических моделей в различных гидрогеологических условиях. Авторы отмечают и другие факторы ("старение" поверхности минералов и гетерогенность среды), снижающие надежность модельных построений для описания природных наблюдений на основе лабораторных данных.
Ознакомление с материалом данной главы приводит к выводу об исключительно большом разнообразии моделей кинетики растворения минералов: каждый из рассмотренных минералов отличается своими кинетическими особенностями растворения, находящими отражение в форме уравнений для скорости кинетики. Более того, вид уравнений во многих случаях варьирует в зависимости от состава растворов, контактирующих с растворяющимися поверхностями. В этой связи возникает вопрос о возможности использования однородных расчетных схем для построения моделей растворения реальных пород, представленных минеральными ассоциациями.
Глава 4 развивает положения "равновесно-неравновесной" физико-химической системы вода-порода, уже получившие освещение в ранних работах авторов. Ее цель - продемонстрировать степень равновесности (или неравновесности) подземных вод по отношению к различным первичным и вторичным алюмосиликатам и карбонатам, что позволяет оценить их способность растворять соответствующие минеральные и породные комплексы. В главе приведены дополнительные доказательства довольно универсального принципа оценки физико-химического состояния системы: подземные воды во всех без исключения геологических условиях всегда неравновесны по отношению к первичным алюмо-силикатным минералам, но равновесны по отношению к вторичным минералам. При этом образуются только те минералы, которые равновесны с водой и поэтому устойчивы к ее агрессивному воздействию, причем состав воды - главный фактор вторичного минералообразования. Принцип равновесия воды с вторичными минералами положен и в основу новой геохимической классификации подземных вод зоны гипергенеза. Объясняя природу и механизмы, контролирующие разнообразие вторичных минеральных образований, авторы привлекают элементы теории формирования геохимических барьеров. Развивая учение А.И. Перельмана о геохимических барьерах, авторы вводят определение нового класса барьеров -
472
РУМЫНИИ
гидродинамических, описывающих природу образования кальцита в морском бассейне (как следствие привноса иона Са с континента).
Именно здесь впервые прозвучало слово "гидродинамика", но, к сожалению, не в том контексте, который хотел бы видеть рецензент. Во всех модельных гидрогеохимических построениях движение воды как бы остается "в тени", более того, в большинстве случаев отвергается роль движения воды как фактора неравновесности гидрогеохимических систем. Возможно, авторы, рассматривающие, в основном, глобальные процессы, протекающие в геологическом масштабе времени, правы. Однако этот вывод требует все же количественного доказательства. Оно может быть получено только в рамках моделей, включающих, наряду с реакциями химического преобразования пород и воды, миграционную компоненту. Правда, остается надеяться, что, как нам обещано, "роль водообмена в конкретных геологических условиях в строго направленной эволюции системы вода-порода и образовании вторичных минеральных продуктов...
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.