VIVOS VOCO: О.А. Каримова, И.С. Зекцер, "Вода под водой"

№9, 2007 г.

Вода под водой

О.А. Каримова, И.С. Зекцер

Игорь Семенович Зекцер, д.г.-м.н., проф., зав. лаб. региональных гидрогеологических проблем Ин-та водных проблем РАН.
Ольга Алиевна Каримова, к.г.-м.н., научн.сотр. той же лаборатории.

Вода под водой… Такое название выбрано не только для того, чтобы заинтриговать непосвященного читателя. Предмет нашего разговора - субмаринные (или в более широком смысле субаквальные, т.е. “подводные”) воды, распространенные под морями, океанами и крупными озерами. К необходимости изучения субмаринных подземных вод и подземного водообмена суши и моря пришли почти одновременно и независимо друг от друга гидрологи и гидрогеологи.

В последние годы во многих районах земного шара отмечается дефицит водных ресурсов. В приморских районах недостаток в пресной воде хорошего качества в ряде случаев можно значительно уменьшить или даже полностью покрыть за счет использования подземных вод, “бесполезно” стекающих в море. В некоторых странах уже имеется положительный опыт использования вод крупных субмаринных источников, разгружающихся в море недалеко от берега, а также опыт эксплуатации скважин, пробуренных на шельфе и вскрывших пресные подземные воды для снабжения приморских населенных пунктов.

Пример проявления субмаринной разгрузки подземных вод на поверхности моря [2].

Мы привели лишь наиболее известные и, следовательно, наиболее изученные примеры выхода субмаринных вод, с тем чтобы читатель получил представление о масштабах этого пока слабоизученного явления.

Термин “субмаринные источники” используется для описания источников, разгрузка которых происходит ниже уровня моря в шельфовой зоне. Обнаружить их можно по характерному вскипанию воды на поверхности моря. Роль их бывает настолько велика, что они могут уменьшать соленость морской воды. Как отмечал Р.А.Кохоут [1], “субмаринные источники, этот чудный феномен природы, является до сих пор мало изученным процессом береговой гидрологии во всем мире”.

Использование субмаринных источников более 2000 лет назад [4].

Субмаринные источники привлекали внимание людей с давних времен. Более 2000 лет назад финикийцы построили коллекторную систему от субмаринного источника, который обеспечивал пресной водой г.Амрит. Древнеримский философ и поэт Лукреций в I в. до н.э. в работе “О природе вещей” описывал “вскипание” воды на поверхности моря, а Плиний отмечал существование значительного числа субмаринных источников у берегов Турции, Сирии и южного побережья Испании (залив Кадис).

Несмотря на то, что о существовании “подводных” источников было известно давно, их детальное изучение началось только в XX в.

Где и как формируются субмаринные источники?

В некоторых районах со сравнительно невысоко поднятыми областями питания на подводных склонах функционирует большое число субмаринных источников, в том числе высокодебитных [5]. К ним относится п-ов Флорида, гипсометрические отметки которого не превышают 100 м. Активная субмаринная разгрузка здесь обеспечивается повсеместным развитием закарстованных известняков, большим количеством осадков (1200-1400 мм/год) и равнинным рельефом с обширными заболоченными участками, практически исключающим поверхностный сток.

Аналогичные условия разгрузки наблюдаются на п-ове Юкатан, представляющем собой низменную равнину, и только на юго-востоке небольшой участок занимают горы Майя. Площадь распространения известняков составляет около 100 тыс. км² при общей площади полуострова 180 тыс. км² и длине береговой линии 1000 км. На прибрежных песчаных островах пресная вода залегает в виде линз на соленой морской воде.

По данным американских специалистов, практически на всем восточном побережье США происходит подземный сток в Атлантический океан и Мексиканский залив. Только в одном месте о.Лонг-Айленд (штат Нью-Йорк) подземный сток в океан оценивается в 25 млн м³/год (немного меньше 1 м³/с). В этой части шельфа на расстоянии 37 км от берега (напротив устья р.Делавер) скважиной вскрыты подземные воды, обладающие значительным напором.

В 1966 г. с помощью батискафа на плато Блейк в 200 км от берега на глубине 510 м (южнее Саванны) была обнаружена 50-метровая депрессия на дне моря, заполненная водой с температурой на 2.5°С ниже температуры окружающей морской воды. Эта аномалия связана с разгрузкой подземных вод.

Большое развитие субмаринные источники получили на подводных склонах островных систем с ярко выраженным горным рельефом (Гавайские, Филиппинские, Большие Антильские о-ва, Большой Зондский и Малый Зондский архипелаги).

Один из наиболее крупных в мире подобных источников расположен у берегов о.Ямайка на расстоянии 1600 м от берега. Он “пробивается” к поверхности моря с глубины 256 м и представляет собой целую пресноводную реку с расходом 43 м³/с.

Аэрофотоснимок южного берега о.Ямайки. Светлые участки овальной формы - субмаринные выходы подземных вод.

Богато подводными выходами подземных вод Средиземное море, где субмаринные источники связаны с трещинами и карстовыми каналами в горных породах. В Эгейском море вблизи юго-восточного побережья Греции обнаружен источник пресной воды с большим расходом, а у берегов Адриатического моря их насчитывается около 700.

В Средиземном море известны источники на значительных глубинах: у г.Канны - на глубине 165 м, в Сан-Ремо - 190 м, в заливе Святого Мартина - 700 м. Вблизи северо-западного побережья о.Сицилия установлены источники, связанные с толщей доломитов и доломитизированных известняков.

Выходы субмаринных источников нередко столь значительны, что образуют целые пресноводные потоки. Такой поток среди соленых вод обнаружен в устье р.Роны. Подобная пресноводная “река” течет и в Генуэзском заливе.

Наиболее детальные исследования субмаринных источников выполнены у южного побережья Франции, между городами Марсель и Кассис. Еще в 1964 г. Бюро геологических и горных исследований и Водное общество Марселя создали специальную научно-исследовательскую организацию для изучения наиболее крупных источников Порт-Миу и Бестуан и выяснения возможности их эксплуатации. Эти субмаринные источники приурочены к закарстованным известнякам мелового возраста, которые образуют моноклиналь, наклоненную в сторону моря. Аквалангисты, исследовавшие карстовые галереи Порт-Миу, достигли глубины 45 м и по каналам проникли в глубь материка на расстояние более 1 км. Здесь были установлены измерительные пункты, оборудованные датчиками скорости течения, манометрами, резистивиметрами, отобраны пробы воды и грунта, проведены опыты с красящим веществом (флуорисценом), позволившие определить направление и скорость движения фильтрационного потока, выполнены геофизические эксперименты. В карстовых полостях происходит расслоение водной массы: на более низких отметках залегает соленая морская вода, сверху - пресная подземная, обладающая меньшим удельным весом. Скорость продвижения соленой морской воды в глубь галереи обратно пропорциональна величине напоров разгружающихся пресных подземных вод. Величина этого напора, в свою очередь, определяет расход потока пресных субмаринных вод, который движется в сторону моря по поверхности более плотных морских вод. На равновесие между пресной и соленой водой влияют напорный градиент пресного потока и колебание уровня моря, соотношение плотностей пресной и соленой воды и разность их температур, способствующие процессам диффузии.

Разгрузка подземных вод в Средиземное море вблизи г.Кассис (Франция):
а - инфракрасный тепловой снимок района субмаринных источников Порт-Миу и Бестуан;
б - схематическая гидрогеологическая карта района;
в - схема карстовой галереи на выходе источника Порт-Миу.

Полученные результаты исследований использовались при проектировании и строительстве бетонной плотины на пути проникновения морской воды в глубь материка через главную карстовую галерею. Плотина, построенная в самой глубокой части карстовой галереи (примерно в 500 м от ее выхода в море), позволила осуществлять постоянные измерения скорости потока разгружающихся подземных вод, следить за потерями напора вдоль карстовой галереи, предотвращать внедрение морских вод и выявлять оптимальные условия эксплуатации пресных подземных вод для водоснабжения населения.

В бывшем Советском Союзе субмаринные источники хорошо известны на Кавказском шельфе Черного моря. У пос.Гантиади на фоне синей морской воды контрастно выделяется светлое пятно, а многочисленные быстро лопающиеся пузырьки создают обманчивое впечатление кипящей воды. Так проявляется субмаринный источник пресной воды с дебитом около 0.3 м³/с. Более крупный участок “кипящей” морской воды хорошо виден с берега при спокойном море в районе Гагры, его дебит - 8 м³/с.

Подобные “бугры вскипания” расположены на расстоянии 100-150 м от берега. Это проявления на поверхности моря пресных карстовых источников с местным названием “репруа”, расположенных на глубинах 5-10 м.

Источники, вызванные разгрузкой трещинно-жильных вод, приурочены обычно к системам крупных тектонических нарушений в изверженных и метаморфических породах. Они выходят как на суше, так и в прибрежной части моря. В Крыму, на северо-западном склоне горы Аюдаг, обнаружены три источника, расположенные на глубине 6 и 8 м.

А.И.Коротков с соавторами [5] описывают гидрогеологические условия разгрузки подземных вод на островах Бахрейна в Персидском заливе. В прибрежной зоне островов выходит большое количество субмаринных источников с солоноватой водой (общая минерализация около 4 г/л), область питания которых находится на материке в районе Саудовской Аравии. По мнению исследователей, подземные воды проделывают путь более 100 км под морским дном, сохраняя достаточный напор для разгрузки в виде источников.

Несколько лет назад в одной из российских газет были опубликованы путевые заметки о государстве Бахрейн, где, в частности, говорилось и о субмаринных источниках:

“Свежая пресная вода на бахрейнских самбуках всегда в изобилии. Подводные ключи, бьющие в районе промыслов, позволяют пополнять ее запасы в любое время. Кое-где даже встречаются “освоенные” источники с выведенными на поверхность залива резиновыми шлангами с поплавками: подплывай и бесплатно заполняй порожние баки! Не случайно возникло и само название архипелага Бахрейн, что в переводе означает “два моря” - соленое море вокруг и море пресной воды, ключами бьющее со дна”.

Многочисленные субмаринные источники связаны с подземными каньонами, нередко представляющими собой подводное продолжение устья рек. От устья р.Ганг в Бенгальский залив протянулся подводный каньон длиной более 1600 км, шириной около 700 км и глубиной более 70 м, в котором найдены выходы субмаринных подземных вод.

Известны случаи, когда субмаринные воды служили не только источниками водоснабжения, но и источниками загрязнения. Так, значительно уменьшилась колония кораллов у берегов Австралии. Проведя ряд исследований, австралийские ученые пришли к выводу, что этот феномен был вызван в первую очередь тем, что с пресными водами поступали загрязняющие вещества, пагубно влияющие на жизнедеятельность коралловых рифов.

Эксплуатация субмаринных источников

Использование подземных вод субмаринных источников для водоснабжения известно с глубокой древности. Много веков назад люди с помощью различных приспособлений, в частности длинных бамбуковых трубок, получали пресную питьевую воду из крупных субмаринных источников, а также заправляли ею корабли.

Сейчас количественная оценка субмаринного подземного стока позволяет дополнить ресурсы водоснабжения. Пример практического использования субмаринных вод - сооружение плотины в море вблизи юго-восточного побережья Греции. В результате было создано пресноводное озеро внутри моря. Суммарный дебит субмаринных источников здесь превышает 1 млн м³/сут. Воды этого “озера” используют для орошения земель прибрежных территорий.

Нередко высказываются суждения о высоких возможностях использования субмаринных подземных вод и об их неисчерпаемых ресурсах. Однако использовать такие воды непосредственно в море весьма непросто. Прежде всего это определяется сложностью каптирования выходов субмаринных источников на дне и экономической целесообразностью сооружения такого каптажа.

В ряде стран разрабатываются современные технические способы и средства для добычи “воды под водой”. В Японии получен патент на способ отбора пресной воды из субмаринного источника. Авторы патента предлагают разделять пресную и морскую воду непосредственно на дне моря. Над источником ставится полностью автоматизированная установка с датчиками, непрерывно измеряющими солевой состав воды. Если соленость превышает допустимую величину, подача воды к потребителю автоматически прекращается и вода сбрасывается в море до тех пор, пока ее соленость и состав не нормализуются.

Итальянские специалисты предложили для отбора вод субмаринных источников использовать специальный колокол, который устанавливается на дне моря, накрывая источник. Колокол оборудован предохранительными клапанами, контролирующими расход воды и при необходимости ее состав.

Большие перспективы в области использования субмаринных подземных вод морскими водозаборами открываются в связи со значительным развитием технических средств бурения и опробования скважин на шельфе, материковом склоне и дне морей и океанов. Скважины, пробуренные на шельфе Австралии, вблизи Атлантического побережья США, на континентальном склоне Мексиканского залива и др., вскрыли пресные слабоминерализованные субмаринные воды, обладающие значительным напором. Скважиной, пробуренной с корабля в Атлантическом океане у берегов Флориды, в 43 км к востоку от Джэксонвилла, на глубине 250 м ниже уровня моря вскрыта вода с минерализацией 0.7 г/л. При этом ее напор достигает 9 м над уровнем моря.

Уже существуют компании, которые занимаются разработкой оборудования, необходимого для использования пресных вод субмаринных источников. Так, компания “Nymphea Water” успешно разрабатывает оборудование для каптирования субмаринных источников. Ее представители утверждают, что данные технологии могут применяться для каптирования около четверти существующих субмаринных источников без ущерба для окружающей среды.

Однако выводы о возможностях практического использования субмаринных вод можно делать только после проведения специальных работ по оценке эксплуатационных запасов вод, включая технико-экономическое обоснование целесообразности их использования.

* * *

В заключение отметим, что на данной стадии развития науки с учетом конкретных запросов практики можно сформулировать пять направлений исследований субмаринных вод, в отдельных аспектах достаточно тесно связанных между собой:

- изучение роли подземного стока в общем водном балансе Земли и глобальном круговороте воды;
- оценка влияния подземных вод на формирование водного и солевого балансов морей и крупных озер;
- изучение взаимодействия морских и подземных вод в прибрежных районах;
- изучение областей разгрузки пресных подземных вод в прибрежных зонах морей с целью их использования для водоснабжения;
- изучение влияния подземных вод на формирование месторождений полезных ископаемых на дне морей и океанов и роли субмаринного подземного стока в геологических процессах.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований.
Проект 04-05-65466.

Литература

1. Kohout F.A. Submarine springs, a neglected phenomenon of coastal hydrology: Central Treaty Organization’s Symposium on Hydrology and Water Resources Devel. Feb. 5-12, 1966. P.391-413.

2. http://sjr.state.fl.us/programs/plan_monitor/gw_assess/springs/stjohns/crescent_beach.html

3. Pliny. Natural History / Trans. H.Rackham. Harvard, 1967. V.I. P.353.

4. http://www.nympheawater.com

5. Коротков А.И., Павлов А.Н., Юровский Ю.Г. Гидрогеология шельфовых областей. Л., 1980.

6. Submarine groundwater discharge. Management implications, measurements and effects. Prepared for International Hydrological Program (IHP) Intergovernmental Oceanographic Commission (IOC) by Scientific Committee on Oceanic Research (SCOR) Land-Ocean Interactions in the Coastal Zone (LOICZ). IHP-VI. Series on groundwater no. 5 IOC manuals and guides №44.