В 1933—1936 гг. были опубликованы три выпуска «Истории природных вод». Вернадский писал, что «История природных вод» на первой части должна прекратиться, так как «годы автора вряд ли дадут ему возможность закончить этот труд». Но и то, что было сделано, оказало огромное влияние на научную мысль, в том числе на развитие науки о подземных водах — гидрогеологии. Постепенно в ней стало оформляться особое направление — гидрогеохимия (геохимия подземных вод).

Зарождение гидрогеохимии А. М. Овчинников датирует 1929 г., когда Вернадский в своем докладе Российскому минералогическому обществу сформулировал задачи нового направления. Термин же «гидрогеохимия» появился лишь через 10 лет, в 1938 г., в трудах коллектива гидрогеологов Центрального института курортологии в Москве. Широкое развитие гидрогеохимических исследований началось в СССР в 50-х годах. Как и другие современные отрасли знания, гидрогеохимия относится к числу «гибридных наук»: она возникла в результате взаимодействия наук, синтеза многих идей и методов. В качестве второго главного ее источника следует назвать советскую гидрогеологическую школу, развитую Ф. П. Саваренским, Г. Н. Каменским, В. А. Приклонским, А. И. Силиным-Бекчуриным и другими выдающимися учеными. Особенно большую роль сыграли представления о зависимости состава подземных вод от их динамики. В исключительно ясной форме эти идеи разработал талантливый гидрогеолог Н. К. Игнатович (1899—1950).

Вертикальная зональность подземных вод. В верхней части земной коры Игнатович выделил три основные зоны по интенсивности водообмена. Самая верхняя — зона интенсивного водообмена, где подземный сток тесно связан с поверхностным, подземные воды дренируются реками, движутся сравнительно быстро, водообмен осуществляется за десятки, сотни, тысячи и сотни тысяч лет. В районах с влажным климатом воды маломинерализованпые (пресные). Мощность этой зоны обычно не превышает 500 м, но в горных районах может быть и более 1000 м. В геологическом смысле это молодые воды, образующиеся за счет инфильтрации атмосферных осадков, часто содержащие растворенный кислород (окислительные). В засушливых районах возможна испарительная концентрация вод в депрессиях рельефа и их концентрация вплоть до рассолов (например, в солончаках).

Глубже расположена зона замедленного водообмена, где водообмен осуществляется приблизительно за 1 млн. лет. Воды здесь более минерализованные, часто нагретые, они длительное время соприкасаются с горными породами и выщелачивают из них растворимые компоненты. Воды не содержат свободного кислорода, характеризуются восстановительными условиями, обогащены сероводородом, метаном, углекислым газом.

Самая глубокая — зона весьма замедленного водообмена, где водообмен осуществляется лишь в масштабе целых геологических периодов, т. е. за миллионы и сотни миллионов лет. Часто это глубинные (местами более 3 км) горячие воды артезианских бассейнов, древние, сильно-минерализованные (вплоть до рассолов) с восстановительной средой.

Дальнейшие исследования показали, что вертикальная зональность подземных вод не столь проста, как казалось вначале, и, например, в некоторых артезианских бассейнах пресные воды залегают под солеными. Много нового в этот вопрос внесли исследования И. К. Зайцева, Ф. А. Макаренко, Е. В. Пиннекера, А. В. Щербакова и других гидрогеологов. Однако основная идея осталась незыблемой, наоборот, она получила еще большее подтверждение — состав подземных вод тесно связан с их динамикой. Именно подвижность определяет химизм вод, а не состав вмещающих пород.

Учение о вертикальной зональности подземных вод связало гидрогеологию с тектоникой, установило огромное влияние на состав вод поднятий и опусканий блоков земной коры, т. е. тектонической истории района. Как подметил А. М. Овчинников, современная наука опровергла казавшееся бесспорным представление античных ученых о том, что вода такова, каковы породы, по которым она протекает. В действительности вода такова, какова геологическая история района, в котором она находится (рис. 17).

Развитие гидрогеохимии в СССР. Становление и развитие гидрогеохимии во многом связано с именем А. М. Овчинникова, которому принадлежит первая монография, систематически излагающая основы этой науки. Овчинников был талантливым исследователем и педагогом — создателем гидрогеохимическй школы Московского геологоразведочного института им. С. Орджоникидзе, в котором он преподавал почти 40 лет (с 1930 г. до конца жизни). Среди многообразных научных интересов ученого важное место занимали вопросы геохимии минеральных вод, образования гидротермальных рудных месторождений, гидрогеохимические методы их поисков, ядерная гидрогеология. Во все эти разделы науки его вклад был значительным.

В последние десятилетия гидрогеохимические исследования в СССР получили большое распространение. Кроме Москвы, Ленинграда, Томска и других научных Центров РСФСР возникли самостоятельные научные школы в Армении, Казахстане, на Украине, в Белоруссии, в Узбекистане и других республиках.

Александр Михайлович ОВЧИННИКОВ (1904—1969)

Внедрение новых методов анализа позволило определить в подземных водах свыше 60 химических элементов, изучить изотопный состав вод, решить на этой основе различные практические задачи, в частности разработать особый гпдрогеохимический метод поисков рудных месторождений.

Водоносные горизонты — биокосные системы. Многие подземные воды относятся к биокосным системам, так как их химизм связан с деятельностью бактерий. Последние широко распространены в грунтовых водах, они обнаружены и в пластовых водах на глубине в несколько тысяч метров.

Первые сведения о бактериях в глубинных нефтяных водах доставил еще в 1901 г. инженер В. Шейко, работавший на нефтяных промыслах Баку. Однако в то время этому факту не придали значения, и только через четверть века, в 1926 г., почти одновременно американский ученый Б. Бастин и советский ученый Т. Л. Гинзбург-Карагичева опубликовали статьи о нахождении сульфатредуцирующих бактерий в пластовых водах нефтяных месторождений.

«Критическая температура» деятельности микроорганизмов близка к 80°, а по некоторым данным даже к 100°. Поэтому нижнюю границу деятельности микроорганизмов обычно проводят по изотерме 100°, которая, по В. А. Покровскому, на Русской платформе расположена на глубине от 2,9 до 5,5 км, в так называемых передовых прогибах (Прикарпатье, Предкавказье и т. д.) — на глубине 1,5—2,9 км. В районах развития кристаллических пород, например на Кольском полуострове, эта граница предположительно находится на глубине 10—15 км. Сравнительно низкие температуры (менее 100°) — только одно из условий, необходимых для деятельности микроорганизмов. Другое не менее важное условие — наличие пищи, преимущественно органических соединений, а также кислорода, необходимого для дыхания, т. е. для окисления соединений.

Почти все подземные воды содержат растворенное органическое вещество. Больше всего его содержится в водах нефтяных и газовых месторождений (сотни миллиграммов в 1 л). Особенно большие исследования в направлении органической гидрогеохимии провели советский гидрогеолог М. Е. Альтовский и его ученик В. М. Швец.

В подземных водах обнаружены органические кислоты, углеводороды, фенолы, спирты и другие соединения. Много подобных веществ растворено и в грунтовых водах тайги и тундры, часто имеющих коричневый цвет. Но даже наиболее бедные «органикой» подземные воды содержат в 1 л доли миллиграмма органического углерода.

Таким образом, пищи для бактерий в большинстве подземных вод достаточно. Следовательно, остается решить последний вопрос: где они могут добыть кислород, чтобы окислить органические вещества и получить энергию, необходимую для жизнедеятельности? В верхних горизонтах подземных вод, содержащих растворенный кислород, развиваются аэробные бактерии. В более глубоких горизонтах подземных вод, а местами и в грунтовых водах, в болотах и солончаках, свободного кислорода нет. Там развиваются анаэробные бактерии, способные отнимать кислород у сульфатов, нитратов, гидроокислов железа, марганца и других окисленных соединений. В результате эти соединения восстанавливаются и в водах появляются H₂, H₂S, NH₃, Fe²⁺, Mn²⁺ и прочие восстановленные формы элементов, а кислород расходуется на окисление органических веществ с образованием углекислого газа. Так, в результате жизнедеятельности микроорганизмов происходит глубокое изменение химического состава подземных вод, они становятся химически высокоактивными и совершают в земной коре большую работу — изменяют горные породы. За время геологической истории бактерии окислили в земной коре огромное количество органических веществ, «съели» целые месторождения нефти, изменили состав многих осадочных пород. Для характеристики геохимической деятельности подземных вод, их работы по преобразованию горных пород используют термины «гидрогенез», «катагенез», «эпигенез».