Раздел геохимии, изучающий поверхностные воды, именуют гидрохимией (геохимия речных вод, озер, океана и т. д.).
В верхних горизонтах водоемов, куда проникает солнечный свет, развивается фотосинтез — из углекислого газа, воды, минеральных солей образуются сложные органические вещества. Эту работу в основном выполняют зеленые, сине-зеленые и другие водоросли. Одновременно, как и в других биокосных системах, происходит разложение органического вещества главным образом в результате деятельности микроорганизмов. В каждом миллилитре речной воды содержатся сотни тысяч и миллионы бактерий, например, в Волге у Куйбышева — 13 млн., в Москве-реке — 0,4—1,3 млн., в Кубани — 1,5—5,8 млн. Таким образом, в освещаемых горизонтах поверхностных вод развиваются противоположные процессы образования и разложения органических веществ, в совокупности составляющие единый биологический круговорот атомов. В этом отношении верхние горизонты вод близки к ландшафтам.
В глубоких водных слоях, куда солнечный свет не проникает, возможно только разложение органических веществ, т. е. эти слои аналогичны почвам, илам, коре выветривания и водоносным горизонтам.
Поэтому и геохимическая систематика поверхностных вод может быть построена по уже известному читателю принципу разделения на три ряда — кислородных, глеевых и сероводородных вод.
В подавляющем большинстве поверхностные воды содержат растворенный кислород, который постоянно поступает в них из атмосферы и за счет фотосинтеза водных растений. В архее до появления зеленых растений, т. е. миллиарды лет назад, поверхностные воды относились ко второму, глеевому, ряду. В современную эпоху глеевая обстановка местами создается в таежных реках и озерах зимой под слоем льда. Свободный кислород здесь расходуется на дыхание рыб, окисление растворенных органических соединений; поступление кислорода из атмосферы затруднено из-за ледяного панциря. В результате содержание кислорода резко понижается, рыба начинает задыхаться, происходит ее «замор», известный на реках Западной Сибири, белорусского Полесья и других лесисто-болотистых низменностей. Естественно, что при вскрытии ледяного покрова глеевый состав вод сменяется на окислительный. В целом такие воды относятся к первому ряду.
Рис. 22. Геохимические классы грунтовых вод.
Водоносные горизонты с преобладанием окислительной обстановки (первого ряда): 1 — преимущественно нейтральные и слабощелочные кальциевого класса. Водоносные горизонты с окислительной, глеевой и, реже, сероводородной обстановками первого, второго и третьего рядов; 2 — кислые, частично нейтральные кальциевые; 3 — соленосные; 4 — содовые и кальциевые; 5 — кислые и нейтральные в бескарбонатных породах. Надмерзлотные (временные) водоносные горизонты районов широкого распространения многолетней мерзлоты, глеевые и окислительные; 6 — нейтральные и кислые в бескарбонатных породах; 7 — нейтральные в карбонатных породах; 8 — нейтральные и кислые в бескарбонатных породах (глеевые); 9 — отсутствие данных
Воды третьего ряда — сероводородные — известны в глубоких горизонтах некоторых морей и заливов, где затруднен водообмен. Классическим примером служат глубокие горизонты Черного моря, зараженные сероводородом (глубже 200 м). Для этой биокосной системы характерны сульфатредуцирующие бактерии.
Геохимические особенности поверхностных вод зависят также от температурного режима. Например, реки и озера Арктики сильно отличаются от экваториальных рек: растворимость кислорода на севере выше, скорость окисления органических веществ меньше, так как в холодной воде бактерии работают медленнее. Все это позволяет, как и для илов, выделять типы поверхностных вод, которые еще нуждаются в уточнении. Условно мы различаем холодные, умеренные и теплые воды в соответствии с термическими поясами земной поверхности. Отметим, что еще в 1892 г. известный швейцарский исследователь озер Ф. Форель выделил три типа озер по особенностям температурного режима и циркуляции: умеренные (полная циркуляция весной и осенью), тропические и полярные (циркуляция летом, температура всегда меньше 4° С). К холодным водам относятся также некоторые поверхностные воды районов многолетней мерзлоты и водные массы океанических глубин.
Рис. 23. Геохимические классы речных вод.
1 — кислые и нейтральные маломинерализованные воды, часто богатые рассоренным органическим веществом («коричневые реки» тайги и тундры); 2 — нейтральные и слабощелочные воды кальциевого класса, часто богатые рассоренным органическим веществом («коричневые реки» мерзлотной тайги, сложенной карбонатными породами); 3 — нейтральные и слабощелочные воды кальциевого класса, бедные растворенным органическим веществом; 4 — воды соленосного класса (как правило, только для периода летней засухи, в остальное время — кальциевый класс); 5 — рек нет
Определеннее можно говорить о геохимических классах вод, выделяемых в пределах типов; они те же, что и в почвах, илах, корах выветривания, водоносных горизонтах (рис. 23, 24). Рассмотрим эти классы для вод первого, окислительного, ряда.
Воды сильнокислого класса (с pH < 3) распространены сравнительно мало. Они известны в районах сульфидных рудных месторождений, где окисление сульфидов, в первую очередь пирита, приводит к формированию сернокислых вод, дающих начало сернокислым ручьям и речкам. Эти воды имеют не только низкий pH, но и обогащены металлами. В таких районах встречаются сернокислые («купоросные») озера. Одно из подобных озер расположено вблизи Гайского медноколчеданного месторождения на Южном Урале. Население издавна использовало его в лечебных целях.
В отработанных карьерах сульфидных месторождений часто возникают сернокислые пруды, на их берегах наблюдаются пестрые выцветы медных и других минералов.
Сернокислые ручьи и речки характерны и для районов некоторых угольных шахт — они образуются в результате кислого водоотлива, о котором мы еще расскажем на страницах этой книги. Таким образом, геохимическая деятельность человечества направлена к увеличению числа кислых рек и озер (прудов).
В районах современного вулканизма, например на Курилах, в Японии, Индонезии, формируются сильнокислые термальные подземные воды, а в местах их выхода на поверхность — кислые реки. Кислотность связана с растворением хлористого водорода, сернистого газа и других вулканических газов. К. К. Зеленов исследовал на Курилах речку Юрьева, берущую начало с действующего вулкана Эбеко. Это «солянокислая река» с pH воды 1,72, в которой растворено много алюминия и железа.
Рис. 24. Геохимические классы озерных вод.
1 — кислые и нейтральные маломинерализованные воды, часто богатые растворенным органическим веществом; 2 — нейтральные и слабощелочные воды кальциевого класса, часто богатые растворенным органическим веществом (мерзлотные районы, сложенные карбонатными и богатыми кальцием породами); 3 — нейтральные и слабощелочные воды кальциевого класса, бедные растворенным органическим веществом, местами жесткие; 4 — хлоридно-сульфатные и хлоридные воды соленосного класса; 5 — содовые и кальциевые воды
Сильнокислые вулканические озера известны в Японии, на Гавайях и в других вулканических районах.
В ландшафтах влажного климата с равнинным рельефом и болотами широко распространены реки и озера кислого класса. К ним относятся многие водоемы тундры, заболоченной тайги, влажных тропиков (например, Амазонии). В районах вечной мерзлоты подобный класс вод встречается и в горных областях (например, в Восточной Сибири).
Воды кислого класса формируются в районах развития изверженных и других пород, не содержащих растворимых компонентов (карбонатов, гипса и т. д.). Формирование химического состава вод протекает в почвах при разложении растительных остатков. Такие воды содержат очень мало растворимых минеральных веществ, обычно менее 100 мг в 1 л («ультрапресные»). По ионному составу это чаще всего гидрокарбонатно-кальциевые воды (Са2+ — НСО3-). Воды богаты растворенным органическим веществом, в связи с чем имеют коричневый цвет, напоминающий крепкий чай. К этому классу относятся и черные тропические реки, в том числе крупный приток Амазонки Рио-Негро (по-испански — «черная река»). Под защитой органических веществ мигрируют многие металлы. В физико-химическом смысле это крайне неравновесные системы, так как они содержат и сильный окислитель (свободный кислород), и сильные восстановители (органические соединения). Вместе с тем эта биокосная система устойчива, т. е. является стационарной.
Воды кальциевого класса — нейтральные и слабощелочные, пресные (маломинерализованные) — также распространены очень широко. Среди них можно выделить несколько разновидностей (подклассов, самостоятельных классов?).
В таежной и тундровой зонах, в районах, сложенных известняками или другими породами, содержащими растворимые компоненты, формируются весьма своеобразные воды кальциевого класса. Ведущее значение для формирования их химического состава наряду с разложением растительных остатков имеет растворение пород. Общая минерализация таких вод значительно выше, чем во втором классе, она составляет местами сотни миллиграммов на литр. По ионному составу воды гидрокарбонатнокальциевые (НСО3-—Са2+). Содержание растворенных органических веществ в водах значительно, они имеют коричневый цвет, но все же светлее, чем во втором классе. Возможно, эти воды следует выделять в самостоятельный класс.
Воды кальциевого класса, бедные растворенным органическим веществом, распространены во многих ландшафтах лесостепи, черноземных степей, горных стран. Главное значение в формировании состава вод здесь имеет разложение растительных остатков и растворение карбонатов кальция в почвах, корах выветривания, континентальных отложениях. Эти воды пресные, кальциевые, местами жесткие (в черноземных степях). Все же общее количество растворенных веществ обычно не превышает 1 г/л.
pH вод кальциевого класса может сильно колебаться в зависимости от интенсивности фотосинтеза. Во время наибольшего расцвета деятельности водорослей и других зеленых растений они почти нацело изымают из воды углекислый газ и pH повышается местами до 10. Ночью, когда фотосинтеза не происходит, а дыхание растений, поставляющее углекислый газ, продолжается, pH падает. За сутки колебание pH может составить 2 ед., т. е. кислотность изменится в 100 раз! Повышение pH за счет фотосинтеза возможно и в озерах кислого класса, и в морских лагунах с соленой водой.
Воды соленосного класса (Na+, Cl-, SO42-) распространены преимущественно в сухих степях и пустынях, главным образом в озерах. Еще А. Е. Ферсман выделил на территории СССР особый «пустынно-озерный пояс». По ионному составу эти воды очень разнообразны — известны и хлоридные, и сульфатные, и натриевые, и магниевые воды. Классификация их детально разработана в связи с большим практическим значением соляных озер. Напомним об огромном хозяйственном значении соляных озер Эльтон и Баскунчак в Прикаспийской низменности, залива Кара-Богаз-Гол в Туркмении. Реже встречаются соленые ручьи и реки, они известны в районах развития соленосных толщ. Летом при сильном испарении воды небольшие реки сухих степей и пустынь тоже могут осолоняться (а зимой и весной — опресняться). К соленосному классу относится также морская и океаническая вода.
Содовые воды наиболее характерны для лесостепи и северной степи, где широко распространены содовые озера. Классический район их развития в СССР — западносибирская лесостепь, например Барабинская низменность. Содовые щелочные реки редки.
В 1938—1939 гг. в штате Вайоминг (США) при поисках нефти и газа были открыты ископаемые залежи троны (Na2CO3 · NaHCO3 · 2H2O) — осадки эоценовых содовых озер. В 1964 г. из этих месторождений добывалось уже около 20% всей соды, производимой в США. Современные крупные содовые озера известны в Калифорнии, Восточной Африке и других местах. Процессы формирования содовых озер выяснены еще далеко не достаточно, в природе протекает много реакций, в ходе которых воды приобретают содовый состав. Наряду с климатом большую роль в формировании содовых озер во многих районах, вероятно, играл вулканизм.