История воды

УДК 556.3(476)

Кудельский, А. В. История воды : происхождение, возраст, эволюция состава / А. В. Кудельский. – Минск : Беларуская навука, 2017. – 116 с. – ISBN 978-985-08-2135-5.

Развивается теория космического происхождения воды, основной 
источник которой после образования Солнечной планетарной системы, 
локализуясь изначально в протопланетном веществе, составляет неотъемлемую часть материальной системы планет, в том числе и планеты 
Земля. Геологическая (земная) история воды рассматривается на примере эволюции земного вещества в структурно-геологических пределах 
территории Беларуси.
Книга рассчитана на геологов, гидрогеологов, геохимиков, ученых 
естественнонаучных направлений, преподавателей, аспирантов и студентов высших учебных заведений.
Табл. 13. Ил. 14. Библиогр. - 100 назв.

Р е ц е н з е н т ы:

академик, доктор геолого-минералогических наук,  
профессор А. А. Махнач,
кандидат геолого-минералогических наук В. А. Панасенко

ISBN 978-985-08-2135-5
© Кудельский А. В., 2017
© Оформление. РУП «Издательский  
    дом «Беларуская навука», 2017

ВВЕДЕНИЕ

Проблема воды (и гидросферы вообще) стоит в основе 
более общих проблем формирования и эволюции Земли как 
планетарного образования, ее структуры и вещественного 
состава (петрология, геохимия, гидрогеология). От состояния наших представлений о генезисе и физико-химическом 
облике воды зависит, кроме того, уровень развития многих  
естественнонаучных направлений и разработок и в том 
числе в области поисков, разведки и эксплуатации практически всех видов полезных ископаемых, используемых 
человечеством, от собственно воды и специфических природных водных растворов (поликомпонентные рассолы, 
минеральные воды и др.), рудных и нерудных ископаемых 
до энергоносителей различного облика и происхождения 
(радиоактивные вещества, нефть и газ, термальные воды и др.).
Вода – самое распространенное на Земле вещество, важнейший природный ресурс, основа самой природы и систем 
планетарного жизнеобеспечения. Это необычное по физикохимическим свойствам соединение двух атомов водорода 
и одного атома кислорода является матрицей жизни, определяет современный облик земной поверхности, климат  
и энергетику процессов жизнеобеспечения всего сущего.
Книга посвящена развитию теории космического происхождения воды, основной источник которой после образования Солнечной планетарной системы, локализуясь 
изначально в протопланетном веществе, составляет неотъем- 
лемую часть материальной системы планет, в том числе  
и планеты Земля. Геологическая (земная) история воды рассматривается нами на примере эволюции земного вещества 
в структурно-геологических пределах территории Беларуси как части Восточно-Европейской платформы.

Глава 1

ВоДА И лЕД НА ЗЕмлЕ

Если говорить об угрозе водного голода, 
то она в большей мере исходит из неумелого использования водных ресурсов, чем 
от недостатка воды на земном шаре.

Профессор М. И. Львович

Вода действительно повсеместна и вездесуща. Общий 
объем гидросферы немногим менее 1,5 млрд км3. 94,2 % 
этого объема и 72 % поверхности земного шара занимает 
океан (табл. 1.1). Минерализация (солесодержание) океанических вод в среднем 35-40 граммов на килограмм, большую часть растворенных веществ составляют хлористый 
натрий (78 %) и хлористый магний (11 %). Из газов, растворенных в водах океанов, наибольшее значение для живых 
организмов имеют кислород и углекислый газ, причем масса «океанического» СО2 в 60 раз превосходит количество 
углекислого газа в атмосфере.
Из общего объема гидросферы 4 % приходится на подземные воды, большая часть которых представлена рассолами (до 600 г/кг) и всего на 0,27 % (от объема гидросферы) –  
пресными водами зоны активного водообмена. Большая часть 
пресной воды сосредоточена в полярных ледниках (1,6 %), 
поверхностные и почвенные преимущественно пресные воды 
составляют 0,25 % общего объема гидросферы. Относительно невелик объем речных (русловых) вод (1,2 тыс. км3), 
а также паров атмосферы (14 тыс. км3 или 0,001 %). Количество «биологической» воды (воды живых организмов) около 
2,5 тыс. км3.
Общий объем пресных вод не превышает 2 % от объема 
гидросферы Земли. Запасы поверхностных вод суши связаны с ледниками полярных и горных областей (99,21 %), 
озер (0,73 %), болот (0,05 %) и руслами речных водотоков 

(0,01 %). Наибольшие запасы пресных вод сосредоточены 
(табл. 1.1) в поверхностных природных (покрывают около 10 % площади суши) и грунтовых льдах (зоны вечной 
мерзлоты) – 200 тыс. км3. Около 35 тыс. км3 морского льда 
и айсбергов входит в объем воды океана, 1,6-1,7 тыс. км3 
атмосферного льда – в объем паров атмосферы (табл. 1.2).

Таблица 1.1. Запасы воды в гидросфере

Элементы гидросферы
Объем,  
тыс. км3
Процент  
от общего  
яобъема

Активность  
водообмена,  
число лет

Мировой океан
1370323
94,21
3000

Подземные воды,
60000
4,12
5000

в том числе в зоне активного 
водообмена
4000
0,27
1

Ледники
24000
1,65
8300

Озера,
280
0,019
10

в том числе водохранилища
5
–
–

Почвенная влага,
85
0,006
1

в том числе оросительные  
каналы
2
–
1

Пары атмосферы
14
0,001
0,027

Речные воды
1,2
–

Вся гидросфера
1458710,2
100
–

Таблица 1.2. Распространение льда на Земле

Вид льда
Масса
Площадь распространения

т
%
млн км2
%

Ледники
2,4.1016
98,95
16,1
10,9 суши

Подземный лед
2.1015
0,83
21,0
14,1 суши

Морской лед
3,5.1013
0,14
26,0
7,2 океана

Снежный покров
1.1013
0,04
72,4
14,2 Земли

Айсберги
7,6.1012
0,03
63,5
18,7 океана
(спорадически)

Атмосферный лед
1,7.1012
0,01
510,1
100 над Землей

Особое место в жизни человека и функционировании 
всей планетарной системы жизнеобеспечения занимают поверхностные, почвенные и атмосферные воды (несколько 
более 380 тыс. км3). Около 76 % (280 тыс. км3) этого количества находится в озерах и водохранилищах. В 145 крупных озерах мира сосредоточено 95 % объема озерных вод, 
больше всего в озере Байкале (23 тыс. км3). Байкал является самым многоводным и глубоким озером в мире, имеет  
площадь водосборного бассейна, равную по территории 
Франции, и вмещает 20 % мировых запасов поверхностной 
пресной воды.
Общий объем воды в объеме речных русел, как уже упоминалось, оценивается в 1,2 тыс. км3, объем речного годового стока в океан 47 тыс. км3.
Значительное количество воды содержится в болотах,  
в том числе низинных (11,47 тыс. км3), питающихся за счет 
грунтовых вод и занимающие территорию свыше 3,5 млн км2.
Содержание воды (в виде пара и кристаллов льда) в атмосфере в любой данный момент времени соответствует  
в среднем слою воды толщиной 2,5 см, равномерно распределенному по поверхности Земли. Количество осадков, выпадающих в год, в среднем 65 см, что в 25 раз больше общего количества атмосферной влаги (ежегодный кругооборот 
25 раз).
С поверхности Мирового океана ежегодно испаряется 
505 тыс. км3 воды, из них 458 тыс. км3 возвращается в океан 
в виде атмосферных осадков, 47 тыс. км3 выпадает на сушу. 
Собственно континентальное испарение в соответствии  
с одной из оценок составляет 72 тыс. км3. В общей сложности над сушей выпадает 119 тыс. км3 осадков, избыток 
которых над испарением (47 тыс. км3) формирует речной 
сток в океан.
Вода – химическое соединение двух атомов водорода  
с одним атомом кислорода (Н2О). Молекулярный вес – 18,016; 
плотность при 0 oС – 0,999868 г/см3; вязкость – 0,00178Па·с, поверхностное натяжение – 72,5 мН/м; сжимаемость при 20 oС 

достигает 491·10–7. Физическими свойствами воды определяется многосложность и многовариантность ее фазовых 
переходов в природе (и технологиях), поведение в литосфере (почвенные, грунтовые, подземные воды) и процессах 
жизнедеятельности. Плотность кристаллического льда при 
0 оС варьирует от 0,916 до 0,918 г/см3, при пористой структуре плотность около 0,90 г/см3. Увеличение объема воды 
при замерзании достигает 9 % от ее объема в жидком состоянии при 0 оС. 
Высокая удельная теплоемкость воды (в 500 раз выше, 
чем у воздуха) и ее высокая теплопроводность (скорость 
теплопередачи в воде примерно в 30 раз выше, чем в воздухе) 
определяют постоянство и относительно равномерное распределение температуры в водной среде и приемлемое для 
живых организмов распределение солнечной энергии и тепла 
на поверхности Земли. Энергию подобного перераспределения тепла, воздушных масс и влаги можно оценить, зная, 
что на испарение 1 г воды затрачивается 2,244 Дж. С учетом 
годового испарения с земной поверхности 378·1018 г энергетические затраты составляют 8,3736·1020 кДж, что примерно соответствует 20 % общего поступления солнечной 
энергии.
Физические и химические процессы в гидросфере тесно связаны с аналогичными процессами в атмосфере. Как 
установлено М. И. Будыко (1977) и другими исследователями, преобразование энергии, круговорот воды, углекислого 
газа и других веществ осуществляется в гидросфере и атмо- 
сфере как единой системе.
Рассматривая гидросферу как одну из составляющих 
вещественной и энергетической матрицы биосферы, целесообразно коснуться вопроса о ее пространственных границах. Верхняя из них в первом приближении совпадает  
с поверхностью океана и поверхностных ледников в приполярных и горных областях. При ближайшем рассмотрении 
эта граница смещается в тропосферу, где сосредоточена 
большая часть атмосферной влаги, и даже в мезосферу, где 

на высотах до 70-140 км ракетными зондированиями установлено наличие молекулярной воды, облекающей ледяными 
корочками частицы космической пыли, в том числе в составе 
серебристых облаков. Нижняя граница поверхностной (наземной) гидросферы проводится по дну наиболее глубоких 
океанических впадин (около 11 км), подземной – на глубинах 15-20 км в областях современного вулканизма и 200270 км в областях древних платформ, где термобарические 
условия благоприятны для существования мономерной воды.

Глава 2

ПРоИсхожДЕНИЕ ВоДы

Вода и водяной лед в космосе – 
это всегда как обещание жизни.

Основу геологической концепции происхождения воды 
на Земле составляют представления о ее внутренних, планетарных источниках. Первичная («ювенильная») вода могла 
быть только физико-химически связанной в твердом протопланетном веществе и выделяться в виде субмолекулярных 
частиц и молекулярной воды в условиях высоких температур и давлений преимущественно в подастеносферной мантии, в собственно астеносфере и выше, в коромантийном 
слое. Поверхностные первичные водопроявления (протоокеан) отличались высокой минерализацией, однако служили источником пресных вод вследствие естественной 
дистилляции – испарения с их поверхности и конденсации  
в условиях остывающей планеты.
Поступление воды на Землю в составе вещества астероидов и комет рассматривается как дополнительное и менее 
значимое по массе.

2.1. общая информация по проблеме

Исследованиями последних десятилетий с использованием межпланетных станций и высокоточной аналитической аппаратуры установлено повсеместное присутствие 
воды в космическом пространстве, основное вещество которого представлено межзвездными молекулярными облаками и облаками межзвездной пыли. Первые состоят из 
водорода (~ 70% по массе), гелия (~28%), других элементов 
и простейших молекулярных соединений типа CH, CN, NH3 

и др. (~2%). Межзвездную пыль составляют углеродные  
и силикатные частицы (размером ~0,1 мкм), замерзшие 
газы и водяной лед. Полагают, что в результате гравитационного коллапса плотных ядер межзвездных молекулярных 
облаков формируются одиночные протозвезды типа Солнца с протопланетными газопылевыми дисками, в структуре 
которых создаются планетарные системы. Их вещественный состав и пространственная структура определяются 
энергетикой прото- и молодых звезд.
Сформировавшиеся таким образом планеты Солнечной 
системы подразделяются на две принципиально разные 
группы: внутренняя - представлена небольшими планетами 
с высокой плотностью – Меркурий, Венера, Земля и Марс, 
сложенные каменным и металлическим веществом; внешняя – Юпитер, Сатурн, Нептун и Уран – состоит из более 
массивных и менее плотных газово-жидких тел с каменными ядрами.
Основная масса воды в Солнечной системе связана с планетами – гигантами внешнего пояса и их крупными спутниками, отличающимися высоким содержанием (до 50%) 
воды и водного льда.
Водой принято обычно считать вещество состава H2O, 
однако в геологических образованиях Земли существуют 
и другие соединения водорода с кислородом, которые также нельзя исключить из общего понятия воды в широком 
смысле этого слова: среди них – гидроксильный ион OH–, 
гидроокисный H3O+, гидроперекисный радикал HO2, перекись водорода H2O2, экситон H2O– (возбужденная молекула 
воды), гидратированный электрон ēaq (в сочетании с H2O 
и H3O+), положительно заряженная молекула воды (H2O)+. 
В понятие гидросфера Земли включаются также воды, связанные с горными породами физически (гигроскопические, 
пленочные и капиллярные) или химически (цеолитные, 
кристаллизационные, конституционные). Вода, входящая 
в кристаллическую решетку минералов (конституционно