Факультет

Студентам

Посетителям

Защита окружающей среды от загрязнения вод

Проблема очистки сточных вод, содержащих вредные примеси, становится все более настоятельной. Сброс таких вод различными химическими, нефтехимическими, металлургическими и другими предприятиями уже сделал множество рек на Земле непригодными для рыбы, для снабжения городов и промышленности водой.

Угроза загрязнения нависла не только над грунтовыми водами, но и над водами рек, озер, морей и океанов. Попытки захоронения вредных вод путем закачивания их в отработанные шахты, в слои пород, обладающие повышенной пористостью и трещиноватостью, или в породы карстовые, то есть выщелоченные текучими подземными водами, не дают решения этой проблемы. Вредные вещества, содержащиеся в захороненных водах, попадают потом в реки и водоемы и снова в воду, поступающую для снабжения городов и предприятий.

Предполагалось, что в глубоких впадинах океанов господствует полный покой и что застойные воды, их заполняющие, не смешиваются с верхними слоями. С учетом этих предположений проведены многочисленные захоронения вредных и радиоактивных отходов в океанские глубоководные желоба.

Однако дальнейшие исследования глубоководных желобов показали, что воды нижних слоев интенсивно перемешиваются с вышележащими и перемешиваются в просторах океана. Такого рода захоронение оказалось весьма опасным даже для не очень далекого будущего.

Существование дренажной оболочки поможет найти решение проблемы захоронения вредных вод в слои коры, где они будут безопасными. Ведь если осуществить закачивание вредных вод в дренажную оболочку суши, то они будут перемещаться там на огромные расстояния в кору океанов и на таких путях при господствующих там условиях токсичные вещества, взаимодействуя с породами и растворами, изменятся и потеряют свою агрессивную вредность. Кроме того, выйти вверх, например, в другую работающую скважину, они смогут только в виде пара, то есть обезвреженными.

Важнейшей особенностью «дренажной энергетики и химии» будет чистота технологических процессов, так как все операции по превращению химических соединений осуществляются в недрах Земли. Поставляя ценную продукцию, «дренажная промышленность» оставит для грядущих поколений и воздух, и воду океана, и сушу чистыми.

Ледяное подземелье и тяжелая вода

В начале XVIII века в Петербурге вышла в свет книга И. Гмелина — одного из участников экспедиции. Беринга — Чирикова.

«Путешествие по Сибири» (так называлась книга) — это строго правдивый и несколько суховатый отчет. В Петербурге, а особенно за границей, автора сочли фантазером. Больше всего не хотели верить рассказу о вечной мерзлоте. Подумать только, сколько ни копай мерзлую землю, даже на глубине 100 футов, все — лед!

— Невероятно, — говорили современники, — в это трудно поверить!

И уж наверное, никто бы не поверил тогда, что вечная мерзлота занимает почти четверть всей суши.

Люди, живущие на вечной мерзлоте, находятся в постоянной борьбе с ней.

Что же такое вечная мерзлота, которая занимает общую площадь 20—25 миллионов квадратных километров, в том числе 47 процентов территории СССР и около 80 процентов территории Сибири? Мощность слоев вечной мерзлоты достигает 1000 метров, а в некоторых местах — 1500 метров и даже больше. Есть она и древняя, и молодая.

Образование, мерзлоты не может быть объяснено только низкой температурой воздуха, так как верхние слои промерзших грунтов охлаждены всего до минус 4—5°, а нижние — только до нуля. Перепад температуры в 2—4° на километр не может быть объяснен только теплопроводностью льда, которая несколько выше, чем теплопроводность осадочных пород.

Правда, бурение глубоких скважин во льдах Антарктиды и Гренландии показало, что на глубинах в 1 и более километров в ледниках температура ниже нуля на 15—30°. В некоторых местах она значительно ниже, чем в верхних слоях льда. Как полагают, эта низкая температура сохранилась почти на том уровне, при котором выпадал снег. Тепло земных недр не могло нагревать снег снизу, поскольку оно тратится на скрытую теплоту таяния снега, а образующаяся вода, охлаждает нижележащие породы коры.

Вечномерзлые толщи сложены не изо льда, а главным образом из обычных пород, разбитых трещинами, заполненными льдом. До появления мерзлоты породы на такой глубине были нагреты до 30—50°С.

Это значит, что из недр каждого квадратного метра кверху идет тепло, которое за год равно 400 килокалориям, что соответствует теплу горения 100 граммов растительного вещества. Что же отнимает это тепло и охлаждает нагретые породы? Рассматривая причины появления мощных корней гор, мы показывали, что проникновение воды сквозь кору в дренажную оболочку ведет к охлаждению коры и мантии. Не ведет ли проникновение холодных северных вод к вечной мерзлоте? В традиционном понимании вечномерзлые толщи, казалось бы, совершенно непроницаемы для воды. Однако это не так. Их верхний слой, который называют «деятельным», ежегодно оттаивает в короткие летние месяцы. В воде, заполняющей такой слой, накапливаются растворимые вещества почвы и пород, приносимые ветрами и дождем соли, а также продукты разложения растительного покрова. Когда ранней осенью вода «деятельного» слоя начинает сверху промерзать, то книзу — к вечной мерзлоте — оттесняются холодные растворы, в какой-то мере концентрированные, а поэтому не замерзающие при охлаждении ниже температуры в верхних слоях вечной мерзлоты. Эти холодные жидкие растворы не будут находиться в покое поверх льда мерзлоты, они станут перемещаться книзу, ибо плотность их выше единицы в отличие от льда, который имеет меньшую плотность. Они и играют, вероятно, роль главных переносчиков холода в вечномерзлых толщах.

Как же происходит перемещение холодных растворов в толще мерзлоты? По-видимому, это происходит так же, как проникает в слой льда соль, которой часто посыпают тротуары в зимнее время. Капля раствора вызывает подтаивание льда на нижней границе. Таяние происходит с поглощением тепла, что вызывает замерзание менее концентрированных растворов сверху, над каплей. Это похоже на движение теплой капли в толще льда.

Подобное явление хорошо уже установлено и проверено в опытах. Эксперименты состояли в том, что дистиллированную воду наливали в стеклянные стаканы и замораживали, охлаждая в обычном холодильнике. Затем на поверхности льда делали углубление и засыпали в него немного растворимой соли, дающей окрашенные растворы, такой, как сернокислая медь, азотнокислый никель и др. В результате действия солей на лед образовывались капли водных растворов, которые постепенно опускались на дно стакана. Важным условием движения растворов в мерзлотной толще служит определенное значение температуры охлажденного льда. Она не должна быть ниже температуры кристаллизации капель растворов, потому что раствор замерзнет и движение холода вниз прекратится. Одновременно нижние слои льда должны быть «теплее» верхних.

В условиях вечной мерзлоты температура льда возрастает книзу благодаря потоку тепла из глубин. Поэтому движение капель не прекращается. Опыты только подтвердили предположение.

Постоянное нисходящее перемещение относительно холодных растворов объясняет перенос холода и образование мерзлотной толщи.

Но возникает вопрос: могут ли растворы проникать сквозь всю толщу вечной мерзлоты и куда должны уходить растворы, которые проходят сквозь мерзлоту многие тысячи, а может быть, и миллионы лет? Ведь если сквозь толщу мерзлых пород ежегодно будет проникать 5—10-миллиметровый слой растворов, то под мерзлотой образуется мощный их слой. Конечно, какая-то часть растворов может переместиться под речные русла, озера и под Северный Ледовитый океан, но значительно короче их путь в дренажную оболочку. Она всюду находится на расстоянии 15—25 километров, тогда как к рекам, озерам и морям расстояние измеряется сотнями и тысячами километров.

Каждая капля раствора, опускающаяся в толще вечной мерзлоты, концентрирует в себе растворимые вещества, что снижает температуру ее замерзания: ведь чем выше концентрация и сложнее состав примесей, тем ниже температура замерзания водных растворов.

Если принять во внимание, что проникновение раствора сквозь вечномерзлую толщу происходит многие и многие годы, то можно ожидать в нижних горизонтах вечной мерзлоты присутствия концентрированных растворов. Они и обнаруживаются в действительности.

Это явление дало основание ожидать скопления под толщами мерзлотных пород не только рассолов, но и концентрирования тяжелой воды в них. Наибольшее содержание дейтерия действительно обнаружено в водах Крайнего Севера в скважинах при поисках нефти. Тяжелая вода в настоящее время уже нашла широкое применение в атомной энергетике. Она лучший замедлитель быстрых нейтронов, атомные реакторы с тяжелой водой могут работать на природном уране вместо более дорогостоящего обогащенного урана-235, она служит одновременно и теплоносителем в реакторах для производства плутония и других целей. Изотоп водорода, входящий в состав тяжелой воды, — дейтерий является одним из наиболее перспективных видов топлива для будущих термоядерных реакторов, которые со временем могут стать основными поставщиками энергии. Ведь тонна тяжелой воды в термоядерных реакторах заменит 500 тысяч тонн топлива. Общее же количество ядерной энергии, заключенной в тяжелой воде Мирового океана, в сотни миллионов раз превышает энергию разведанных ресурсов всех видов горючих ископаемых — угля, нефти и газа. Сырьем для получения тяжелой воды может служить обычная вода. Из 30—40 тысяч тонн ее получают одну тонну тяжелой воды.

По физико-химическим свойствам тяжелая вода отличается от воды обычной: температура ее замерзания на 3,8° выше, но и она, как и другие примеси, при замораживании меньше переходит в твердую фазу. Поэтому лед и снег содержат несколько меньше дейтерия, чем обычная вода.

Возможно, за тысячелетия опусканий водных рассолов в вечномерзлых толщах произошло обогащение их тяжелой водой, и можно ожидать, что нижние, горизонты земной коры за Полярным кругом хранят большие ресурсы ядерной энергетики будущего. Можно ожидать… Но пока это только гипотеза, требующая более полного подтверждения.

Дренажная оболочка и климат

О том, что сильный холод физиологически неприятен, знают все. Но о том, какой экономический ущерб он наносит людям, стоит рассказать подробнее.

Огни Норильска, пронизывающие тьму полярной ночи, — символ покоренного Севера. Но чтобы их зажечь, потребовалось не только много мужества, но и много средств.

Дорого обходится человеку борьба с холодом!

Отопление жилых и производственных помещений в течение долгих северных зим, если можно так сказать, — активные статьи расхода на борьбу с холодом. А сколько драгоценных руд скрыто под вечномерзлыми толщами? Сколько новых земель мог бы получить человек? Как освободить Землю от белого покрывала?

Оказывается, уже давно с этой целью крестьяне нашего Севера, еще 200 лет назад, веснами посыпали золой и сажей снег на огородах. Да и моряки-полярники не раз посыпали лед шлаком, чтобы он скорее отпустил из своих цепких объятий суда.

В 1937 году на одной из полярных станций небольшие квадратики льда окрасили фуксином и посыпали шлаком. Они растаяли на восемь суток раньше других. Окрашивали большие льдины и высоченные арктические торосы. Окрашенный лед всегда таял скорее.

В 1949 году начал свои интересные опыты доктор географических наук профессор И. С. Песчанский — автор увлекательной книги «Лед, песчинка и Солнце». Идея этих опытов как раз и заключена в этой короткой формуле.

В том же году с самолетов опылили 313 тысяч квадратных метров льда близ острова Диксон. С нетерпением ученые ждали прихода весны. И результаты не обманули. Солнце засияло, и окрашенные полосы начали на глазах подтаивать. Вскоре в канавках уже чернела вода, тогда как вокруг лежали не тронутые солнцем ледяные поля. Но опыты необходимо было продолжить. Ведь для того чтобы «черный лед» получил окончательное признание, предстояло решить много задач.

Прежде всего нужно было выбрать материал для опыливания: дешевый, так как его понадобится много, достаточно темный, чтобы сильнее поглощал солнечное тепло, а отдельные частицы его должны быть не только мелкими, чтобы хорошо распылялись с самолета, но и тяжелыми и цепкими, чтобы не сдули их ветры и не смыли весенние воды.

Долго искала группа Песчанского подходящий материал. Идеального так и не нашли. Но удовлетворительные и надежные результаты давали шлак и угольная пыль, черный песок и смесь угольной пыли с обычным песком.

Опыленное место начинает таять сразу и быстро, в 3—4 раза быстрее неопыленного. Сначала образуются маленькие проталинки-снежницы. Они растут, расширяются, сливаются друг с другом. Еще несколько дней — и образуется канал, наполненный талой водой. Потом разрушается и ледяное дно канала.

Не только такие каналы подарит человеку «черный лед». Опыливание позволит раньше вскрывать скованные льдом заливы, бухты и проливы, растапливать снег на арктических аэродромах и строительных площадках, на реках и водохранилищах, на высокогорьях. «Черный лед» позволит человеку заручиться союзником в борьбе с холодом — энергией Солнца.

В операции «Черный лед» может принять участие и дренажная оболочка земного шара. Представим себе глубинную скважину — искусственный вулкан, который выбрасывает в атмосферу тысячи кубометров водных и паровых растворов. Естественно, образуются и пепловые облака. Выпадая на снег, они покрывают его солнцепоглощающей присыпкой.

Поглощение света снежной поверхностью увеличивается вдвое, если покрыть только 1/100 ее пеплом, то есть на каждом квадратном километре присыпать поверхность, равную 10 тысячам квадратных метров. Для этого достаточно всего 2—5 килограммов мелких твердых частиц. Расход невелик, укладывается в возможности дренажных скважин, которые могут зачернить своими пепловыми выбросами огромные пространства. Стоит только начать, пусть и не везде.

По-видимому, через несколько лет в районах «зачернения» может установиться такой тепловой режим, который позволит осваивать высокоширотные районы, а появление городов и промышленности будет содействовать дальнейшему потеплению климата.

Таким образом, и эта «продукция» дренажной оболочки планеты, может статься, в будущем примет участие в грандиознейшей операции переделки климата Земли. Вероятно, такая операция должна носить международный характер: в восстановлении на севере теплого, мягкого климата заинтересованы все страны мира.

Может быть, в изменении климата решающая роль будет принадлежать именно пеплам из выбросов искусственно вызванных вулканов. Но в проблеме постоянного поддержания повышенных температур вод Северного Ледовитого океана важную роль могли бы сыграть и теплые течения. Мощный их поток далеко на севере, в Баренцевом море, предохраняет ото льда незамерзающий порт в Мурманске. Дальше на севере Гольфстрим уже не в силах существенно изменить климат. А имеет там огромное значение даже незначительное повышение температуры воды в океане, так как температура выше точки замерзания препятствует образованию льда и снега. Если температура только чуть ниже, включается цепная реакция, вода замерзает, лед и суша покрываются снегом, и начинает господствовать вечная мерзлота.

Если бы удалось решить задачу комплексно и ликвидировать длительные снежные и ледовые покровы, применяя летом зачернение, а зимой сохранять добытое тепло в Гольфстриме, то изменение климата стало бы длительным и «вечная» мерзлота заменилась бы «вечным» теплом.

Климат, однако, следует изменять, как и другие природные условия, осмотрительно, тщательно взвешивая все «за» и «против», учитывая последствия и предвидя уже ход связанных с климатом природных процессов. Прежде чем приступить к воздействию на климат, ученым придется многое пересчитать, взвесить, проверить. Но многое ясно уже и сейчас. Снегозадержание и сохранение влаги на нолях в южных районах нашей страны, раннее освобождение полей от глубокого снега для удлинения вегетационного периода в более северных районах, смягчение климата пустынь путем их орошения, увеличение на длительный срок навигации на реках, озерах, морях или водохранилищах, уничтожение вечной мерзлоты, осушение болот — все это сейчас доступно человеку так же, как доступным становится образование искусственного дождя и уничтожение града, раскрытие аэродромов от туманов или защита растений от заморозков.

О таком разумном, строго обоснованном воздействии на климат и других преобразованиях природы идет речь в Программе КПСС.

Пока еще неизвестно, в каком именно участке народного хозяйства страны польза от освоения дренажной оболочки Земли окажется наибольшей/ Силуэты перспектив многообразны, прояснить их предстоит Будущему.

Заключение

В науках о земной коре еще в большой степени сохраняются уже отживающие представления о чисто механических однократного действия процессах образования разновидностей земной коры. Всплывание продуктов дифференциации — астенолитов, или образование «новой молодой» коры из недр при «расширении» Земли, или же вытекание такой молодой коры из срединных хребтов — вот те гипотезы, в которых преобладают механические процессы. Правда, все более признается, что такое сложное образование, как земная кора, есть продукт сложной системы процессов тепло-масса — переноса, которые не только создают разновидности земной коры, но и постоянно поддерживают ее внутреннее строение и химический состав независимо от длительности существования данного участка коры и независимо от интенсивности эрозии.

Но никто, кроме В. И. Вернадского, так ясно не видел того, что кора является продуктом сложного механизма, и того, что главным агентом в этом механизме служит вода. Человеческие познания часто ускоряются аналогиями и контрастами. Не исключено, что В. И. Вернадский увидел такую аналогию с земной корой в почвах, изучением которых он занимался, еще будучи студентом, под руководством крупнейшего почвоведа В. В. Докучаева. В дружбе и деловом общении они находились на протяжении пятнадцати лет. Вернадский отмечает, что именно Докучаев обратил его внимание на динамическую сторону минералогии. Развивая вопросы генезиса минералов в природных условиях, Вернадский ясно видел важнейшую роль воды, особенно в процессах почвообразования.

Почвенный покров, как и земная кора, состоит из слоев, различающихся по химическому составу. Важно то, что состав и строение слоев почвы мало зависят от пород слоев, на которых лежит почва. Важнейшим и определяющим почвообразующим фактором является фактор Ланге, то есть отношение среднегодового количества атмосферных осадков, выраженное в миллиметрах, к среднегодовой температуре в градусах Цельсия. Этот фактор, а не количество приносимых или уносимых ветрами и текучими водами отложений определяет слоистость почвы, которая сохраняется от ветровой и водной эрозии. Вода активно участвует в процессах, создающих почву. Книзу идут в почве атмосферные осадки, кверху поступают грунтовые воды. Из глубин корни растений выносят растворимые вещества, с активным участием воды идут сложнейшие окислительно-восстановительные и другие реакции, формирующие состав минеральных и органических веществ почвы. Важно и то, что весь этот сложнейший механизм работает во всем объеме почвенного покрова, что и приводит к ее сложности.

В. И. Вернадский разглядел в этих процессах важную роль органического вещества. Он писал: «Все бытие земной коры, по крайней мере на 99 процентов по весу массы ее вещества, в своих существенных, с геохимической точки зрения, чертах обусловлено жизнью»; «Через живое вещество энергия Солнца постепенно передается в более глубокие части планеты — ее коры»; «Природные водные растворы не являются инертным телом в земной коре. Они носители огромной энергии и производят огромную работу. Жизнь вносит энергию Солнца во всякий водный раствор».

Из гипотез, предложенных до настоящего времени, лишь гипотеза о дренажной оболочке выявляет тот механизм, который работает в земной коре аналогично почвообразующему процессу, то есть в объеме всей земной коры. В этот механизм входят три основных процесса: вертикальная циркуляция нисходящих растворов и восходящего пара, перемещение растворов из-под материков под океаны и круговорот твердого вещества, смываемого с материков в океаны, погружающегося там в мантию и перемещающегося под материки.

Каким «ключом от тысячи дверей» является предложенный механизм, уже было показано на примере убедительных объяснений многого из «загадок и тайн» земной коры. Но, несмотря на это, гипотезу дренажной оболочки еще нельзя включить в число нашедших признание. Такова судьба всех новых гипотез. Процесс их становления и превращения в теории долгий и трудный. А кроме того, конечно, надо напомнить читателю, что изложенная нами гипотеза, как и другие, в большом количестве появляющиеся в науке, основана на тех, далеко еще не полных сведениях о земной коре и о воде, которыми мы в настоящее время располагаем. Но эти сведения постоянно пополняются.

Многое, по-видимому, изменится в изложенном представлении о наличии в недрах земной коры особой, обладающей проницаемостью дренажной оболочки. Не изменится лишь то, что образование ее обязательно происходит, происходило и будет происходить всюду и везде, ибо нет сил, которые прекратили бы восходящее движение паров и газов кверху и нисходящее движение растворов. Это встречное движение пара и растворов должно идти «вечно» и независимо от изменения гидростатического давления в тех пределах, какие господствуют в недрах на глубинах до 30—50 и более километров. Нижняя граница нисходящего движения растворов определяется средней их концентрацией, которая не может быть высокой при «вечном» выщелачивании пород, а верхняя граница восходящих паров — критической температурой воды (374° С).

Другая судьба у растворов, находящихся выше того слоя пород, которые лежат выше изотермы критической температуры воды. Здесь вода при нагревании может создавать пар, давление которого зависит от температуры: при 100° оно равно 1 атмосфере, а при 374° достигает 218,5 атмосферы. Однако, поскольку в земной коре уже на глубине несколько более 2 километров давление гидростатического столба превышает критическое давление пара, то в слое земной коры, находящемся выше изотермы с критической температурой воды 374°, насыщенный пар сосуществовать с жидкой водой не может: он при существующем давлении конденсируется. Поэтому здесь противоточное движение пара и растворов отсутствует, происходит лишь медленное перемещение растворов вниз — в дренажную оболочку.

Ниже дренажной оболочки, в пределах мантии, присутствие огромных масс воды .допускается многими исследователями. Именно оттуда вышла вода, заполняющая Мировой океан. Однако существует она там в виде перегретого пара, продуктов ее термического распада (водород, кислород, гидроксил), которые могут перемещаться главным образом кверху.

Следовательно, только тот слой земной коры, который находится при температурах от 374 до примерно 450—500°, существует в условиях «вечной» вертикальной циркуляции паров и растворов.

Всегда считалось, что правильная теоретическая разработка рано или по прошествии некоторого времени находит полезное использование в практике. Идея дренажной оболочки позволяет по-новому подойти к решению проблемы поисков и добычи полезных рудных и других ископаемых, открывает новые возможности использования высокотемпературного пара в качестве энергетического ресурса, имеющего большие преимущества по сравнению с другими источниками получения энергии.

Именно о такого рода проблемах говорилось на XXV съезде КПСС. В решениях съезда записано: «Сосредоточить внимание ученых на важнейших проблемах научно-технического и социального прогресса, от решения которых в наибольшей степени зависит успешное развитие экономики, культуры и самой науки. Предусмотреть дальнейшее развитие исследований, открывающих принципиально новые пути и возможности для преобразования производительных сил страны, техники и технологии будущего».

Выражая благодарность всем, кто своими советами, критическими замечаниями, вниманием и пониманием помог улучшить содержание и форму изложения материалов, вошедших в это издание, авторы надеются, что содержащиеся в книге новые и часто дискуссионные идеи заинтересуют читателей. Дальнейшее развитие этих идей требует участия ученых, работающих в самых различных областях науки о земной коре и о Земли в целом. Авторы будут рады получить отзывы, особенно критические, которые помогут устранить имеющиеся недостатки и ускорить разработку идеи о механизме, создающем земную кору и вечно поддерживающем ее внутреннюю организованность.

Источник: С.М. Григорьев, М.Т. Емцев. Скульптор лика земного. Изд-во «Мысль». Москва. 1977

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.



Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: