Кіріспе
Геотермальды қызған жер асты суларының пайда болуынан туындаған бұлақ. Ыстық бұлақ, гидротермальды бұлақ немесе геотермальды бұлақ – Жер бетіне геотермальды қызған жер асты суларының шығуынан пайда болатын бұлақ. Жер асты сулары магманың (балқыған тау жынысының) бетке жақын денелерімен немесе Жер қыртысының тереңдігіндегі ыстық тау жынысына дейін жарықтар арқылы айналым қозғалысы арқылы қыздырылады. Ыстық бұлақ суларында көбінесе көп мөлшерде еріген минералдар болады. Ыстық бұлақтардың химиялық құрамы pH 0,8-ге дейін төмендейтін қышқыл сульфат бұлақтарынан бастап, кремний қышқылымен қаныққан сілтілік хлорид бұлақтарына, көмірқышқыл газымен және карбонат минералдарымен қаныққан бикарбонат бұлақтарына дейін өзгереді. Кейбір бұлақтарда еріген темір де көп мөлшерде кездеседі. Ыстық бұлақтарға жер бетіне көтерілген минералдар экстремофильдердің – экстремалды жағдайларға бейімделген микроорганизмдердің – қоректенуіне көмектеседі, және Жердегі өмір ыстық бұлақтарда пайда болған болуы мүмкін. Адамдар мыңдаған жылдар бойы ыстық бұлақтарды жуыну, демалу немесе емделу үшін пайдаланып келеді. Дегенмен, кейбір бұлақтар соншалықты ыстық болуы мүмкін, суға батыру зиян келтіріп, күйікке және тіпті өлімге әкелуі мүмкін.
A hot spring, hydrothermal spring, or geothermal spring is a spring produced by the emergence of geothermally heated groundwater onto the surface of the Earth. The groundwater is heated either by shallow bodies of magma (molten rock) or by circulation through faults to hot rock deep in the Earth's crust. Hot spring water often contains large amounts of dissolved minerals. The chemistry of hot springs ranges from acid sulfate springs with a pH as low as 0.8, to alkaline chloride springs saturated with silica, to bicarbonate springs saturated with carbon dioxide and carbonate minerals. Some springs also contain abundant dissolved iron. The minerals brought to the surface in hot springs often feed communities of extremophiles, microorganisms adapted to extreme conditions, and it is possible that life on Earth had its origin in hot springs. Humans have made use of hot springs for bathing, relaxation, or medical therapy for thousands of years. However, some are hot enough that immersion can be harmful, leading to scalding and, potentially, death.
Химия
Ыстық судың еріген заттарды ұстау қабілеті салқын суға қарағанда жоғары болғандықтан, ыстық көздерден шығатын судың минералдық құрамы өте жоғары болады, онда кальцийден литийге дейін, тіпті радийге дейін кездеседі. Ыстық бұлақтың жалпы химиясы сілтілік хлоридтен қышқыл сульфатына дейін, бикарбонаттан темірге дейін өзгереді, олардың әрқайсысы ыстық бұлақ химиясының мүмкін болатын түрлерінің шекті мәнін анықтайды. Сілтілік хлоридті ыстық бұлақтар гидротермальдық сұйықтықтармен қоректенеді, олар еріген хлорид тұздарын қамтитын жер асты суларының жоғары температурада силикат тау жыныстарымен әрекеттесуінен пайда болады. Бұл бұлақтардың pH шамасы дерлік бейтарап, бірақ кремний қышқылына қаныққан (|SiO2). Кремний қышқылының ерігіштігі температураға күшті байланысты, сондықтан суыған кезде кремний қышқылы гейзерит түрінде шөгеді, ол опалдың бір түрі (опал А: |SiO2·nH2O). Бұл процесс өте баяу болғандықтан, гейзерит желдеткіштің тікелей айналасында бірден шөкпейді, бірақ көктемнің ашылуынан біршама қашықтықта төмен, кең платформа құруға бейім. Қышқыл сульфатты ыстық бұлақтар сутек сульфидіне (|H2S) бай гидротермальдық сұйықтықтармен қоректенеді, ол күкірт қышқылына (|H2SO4) тотыққанда. Сұйықтықтың pH-ы осылайша 0,8-ге дейін төмендейді. Қышқыл тау жыныстарымен әрекеттесіп, олар балшық минералдарына, оксид минералдарына және кремний қалдықтарына айналады. Бикарбонатты ыстық бұлақтар көмірқышқыл газы (|CO2) және жер асты сулары карбонат тау жыныстарымен әрекеттескенде пайда болатын гидротермальдық сұйықтықтармен қоректенеді. Сұйықтықтар жер бетіне жеткенде, |CO2 жылдам жоғалады және карбонат минералдары травертин түрінде шөгеді, сондықтан бикарбонатты ыстық бұлақтар ашылуларының айналасында биік рельефтік құрылымдар қалыптастыруға бейім. Темірге бай бұлақтар гидротермальдық сұйықтықтардағы темірден тотыққан темірдің түйіршіктерін өндіретін микроорганизмдер қауымдастығының болуымен сипатталады. Кейбір ыстық бұлақтар химиялық құрамы жағынан осы екі шекті мәннің арасындағы сұйықтықтарды шығарады. Мысалы, аралас қышқыл сульфат хлориді ыстық бұлақтары қышқыл сульфат және сілтілік хлорид бұлақтарының аралық түрі болып табылады және олар қышқыл сульфат пен сілтілік хлорид сұйықтықтарының араласуынан пайда болуы мүмкін. Олар гейзеритті шөктіреді, бірақ сілтілік хлорид бұлақтарына қарағанда аз мөлшерде.
Ағымдық мөлшерлемелері
Ыстық бұлақтардың ағыны ең кішкентай "сипаптардан" бастап, ыстық судың толыққанды өзендеріне дейін өзгереді. Кейде қысым сонша күшті болады ki, су гейзер немесе фонтан түрінде жоғарыға атып шығады.
Экожүйелер
Ыстық бұлақтарда көбінесе ыстық, минералды суға бейімделген микроорганизмдер қауымдастығы кездеседі. Олардың ішінде термофилдер бар, олар – экстремофильдердің бір түрі және жоғары температурада өркендейді. Бұлақтың тетігінен алыс, судың салқындалып, минералдық заттарының бір бөлігі шөгіп қалған жерде, жағдайлар кем экстремалды жағдайларға бейімделген организмдерге қолайлы болады. Бұл бұлақ тетігінен алшақтаған сайын микроорганизмдер қауымдастығының тізбектеліп орналасуына әкеледі, бұл кейбір жағынан ерте өмірдің эволюциясының кезеңдеріне ұқсайды. Мысалы, бикарбонатты ыстық бұлақта, тетік төңірегіндегі организмдер қауымдастығына сульфид пен сутекті тотықтырып, тіршілік процестеріне энергия алатын Aquifex және басқа Aquificales сияқты жіп тәрізді термофильді бактериялар басым. Су температурасы төмендеген жерде, беті қалың микробтық қабаттармен жабылады, олар Spirulina, Oscillatoria және Synechococcus сияқты цианобактериялармен, сондай-ақ Chloroflexus сияқты жасыл күкірт бактерияларымен басым. Бұл организмдердің барлығы фотосинтезге қабілетті, бірақ жасыл күкірт бактериялары фотосинтез кезінде оттегі емес, күкірт шығарады. Бұлақ тетігінен одан да алыс, температура төмендегенде, Spirulina, Calothrix, диатомдар және басқа да бір жасушалы эукариоттар, сондай-ақ жайылатын жәндіктер мен протозояларды қамтитын микроорганизмдердің күрделі қауымдастығы үшін жағдайлар қолайлы болады. Температура қоршаған ортаға жақын түскенде, жоғары сапалы өсімдіктер пайда болады. Сілтілі хлоридті ыстық бұлақтарда да ұқсас организмдер қауымдастығының тізбегі байқалады, онда әртүрлі термофильді бактериялар мен археялар кездеседі. Қышқыл сульфатты ыстық бұлақтарда микроорганизмдердің сәл өзгеше тізбегі байқалады, онда қышқылға төзімді балдырлар (мысалы, Cyanidiophyceae өкілдері), саңырауқұлақтар және диатомдар басым. Темірге бай ыстық бұлақтарда фотосинтездік организмдер қауымдастығы бар, олар тотыққан (темірлі) темірге дейін азайтылған (темірлі) темірді тотықтырады. Ыстық бұлақтар – химиялық бай ортаны қамтамасыз ететін сенімді су көзі. Бұл микроорганизмдер энергия көзі ретінде тотықтыра алатын азайтылған химиялық элементтерді қамтиды.
Ыстық бұлақтар гипотезасы
"Қара түтіннен" (мұхит түбіндегі гидротермальдық бұлақтардан) ерекшеленетін Камчаткадағы құрлықтағы гидротермальдық алаптарға ұқсас ыстық бұлақтар, алғашқы жасушалар мен биохимиялық реакциялар үшін қажетті pH және температураға ие сұйықтықтарды жасайды. Камчаткадағы ыстық бұлақтардан еріген органикалық қосылыстар табылды. Олар биополимерлердің қалыптасуына көмектесетін ылғалдану мен кебу циклдерін бастан өткізеді, содан кейін суға толып, көпіршіктерге қапталған. Күн сәулесінің әсері ортада мономерлік биомолекулалардың синтезін ынталандырады. Ыстық бұлақтың иондық құрамы мен концентрациясы (K, B, Zn, P, O, S, C, Mn, N және H) қазіргі жасушалардың цитоплазмасына және филогеномдық талдау бойынша, мүмкін, LUCA немесе алғашқы жасушалық өмірге сәйкес келеді. Жақында ыстық бұлақтарда жүргізілген тәжірибелік зерттеулер бұл гипотезаны қолдайды. Олар май қышқылдарының мембраналық құрылымдарға өздігінен жиналатынын және УФ сәулесіне және бірнеше ылғалды-құрғақ циклдарға ұшыраған кезде синтезделген биомолекулаларды қаптайтынын көрсетеді. Бұл шамалы сілтілік немесе қышқылдық ыстық бұлақтарда болады, тұзды су ортасында болмайды, себебі ондағы иондық ерітінділердің жоғары концентрациясы мембраналық құрылымдардың қалыптасуына кедергі келтіреді. Дэвид Димер мен Брюс Дамер бұл гипотезалық пребиотикалық орталар Чарльз Дарвиннің қиялдаған "жылы кішкентай тоған" сияқты екенін атап өтті. Зерттеушілер алғашқы жасушалық өмір энергияны сақтау үшін пирофосфитті пайдаланғанын және ол пирофосфаттың алғы құралы болуы мүмкін деп ұсынады. Ыстық бұлақтарда кездесетін фосфиттер ылғалды-құрғақ циклдар арқылы ыстық бұлақтарда пирофосфитке бірігуі мүмкін. Сілтілі гидротермальдық бұлақтар сияқты, Хакуба Хаппо ыстық бұлағы да серпентинизациядан өтеді, бұл метаногендік микробиалды өмірдің ұқсас орталарда пайда болғанын көрсетеді.
Шектеулер
Өмірдің пайда болуы туралы ыстық бұлақ гипотезасының бір мәселесі - фосфаттың суда нашар ерігіштігі. Пирофосфит протоклеткалардың ішінде болуы мүмкін, бірақ қазіргі заманғы тіршілік формаларының барлығы энергияны сақтау үшін пирофосфатты қолданады. Ки пирофосфаттың ферменттер пайда болғаннан кейін қолданылуы мүмкін деп ұсынады. Тағы бір мәселе - күннің ультракөк сәулесі және жиі болатын соқтығыстар ыстық бұлақтардағы алғашқы клеткалық өмірдің тіршілікке ие болуына кедергі келтіретін еді. Осы ортада метаболизм жолдары әлі дәлелденбеді. Вуд-Льюнгдал жолындағы және Кресбс циклының кері айналымындағы метаболизм реакциялары қышқыл жағдайларда, металдардың қатысуымен және термофильді температурада жүзеге асырылды, бұл РНҚ көбінесе қышқыл pH-та тұрақты болатынымен сәйкес келеді.
Тарих
Адамдар мыңдаған жылдар бойы ыстық бұлақтардың пайдасын көріп келеді. Тіпті макак маймылдары да суықтан қорғану үшін ыстық бұлақтарды пайдаланып, солтүстік ареалдарын Жапонияға дейін кеңейткені белгілі. Жапонияда ыстық бұлақ моншалары (онсен) кем дегенде екі мың жылдан бері қолданылып келеді, дәстүрлі түрде тазалық және демалыс үшін, бірақ соңғы кезде емдік қасиеттері үшін де бағаланады. Грекияның Гомер дәуірінде (шамамен б.з.б. 1000 жылы) моншалар негізінен гигиена мақсатында пайдаланылса, Гиппократ заманында (шамамен б.з.б. 460 жылы) ыстық бұлақтардың емдік күшіне сенім артқан. Ыстық бұлақтардың танымал болуы ғасырлар бойы ауытқып келгенімен, қазір олар бүкіл әлемде кеңінен танымал.
Терапиялық қолданыстар
Фольклордың және кейбір ыстық суларға танылған емдік қасиеттердің арқасында олар көбінесе танымал туристік орындарға айналады, сондай-ақ мүмкіндігі шектеулі адамдарды оңалту клиникаларының орналасқан жерлері болып табылады. Дегенмен, ыстық суларда емделудің ғылыми негізі әлі де нақты емес. 18 және 19 ғасырларда қорғасынмен улануға қарсы ыстық ванналармен емдеу кең таралған және тиімді деп есептелген, бұл ыстық суда отырудың нәтижесінде зәр шығарудың (диурез) артуына байланысты болуы мүмкін, ол қорғасынның шығарылуын жеделдетті; сонымен қатар, тамақтану жағдайының жақсаруы және қорғасын көздерінен оқшаулану, кальций мен темірдің жеткілікті мөлшерде қабылдануы да әсер еткен болуы мүмкін. Шипажайлардағы емдеуге қатысты зерттеулерде ревматоидты артрит және бейіндік спондилитпен ауыратын науқастардың жағдайының жақсаруы туралы хабарлар бар, бірақ бұл зерттеулерде әдістемелік кемшіліктер бар, мысалы, плацебомен салыстыруды жүргізудің қиындығы (науқас ем ала ма, әлде жоқ па, білмейді). Осының салдарынан, ыстық сулармен емдеудің тиімділігі әлі де күмәнді болып қана қоймайды.
Етіктік
Әдет-ғұрыптар мен тәжірибелер ыстық бұлаққа қарай өзгеше болады. Суға түспес бұрын жуыну қалыпты жағдай, осылайша судың тазалығы сақталады (сабынмен немесе сабынсыз). Көптеген елдерде, Жапония сияқты, ыстық бұлаққа киімсіз, тіпті купальниксіз де кіру талап етіледі. Көбінесе ерлер мен әйелдерге арналған бөлек жағдайлар немесе уақыттар қарастырылған, бірақ аралас онсендер де кездеседі. Ал кейбір елдерде, егер бұл қоғамдық ыстық бұлақ болса, купальник кию міндетті.
Мысалдар
Жер шарының барлық континенттерінде көптеген ыстық бұлақтар кездеседі. Қытай, Коста-Рика, Венгрия, Исландия, Иран, Жапония, Жаңа Зеландия, Бразилия, Перу, Сербия, Оңтүстік Корея, Тайвань, Түркия және АҚШ ыстық бұлақтарымен әйгілі елдер, бірақ олардан өзге де көптеген жерлерде ыстық бұлақтар бар: 1918 жылы химия профессорының есебінде олар әлемдегі ең электролитті минералды сулардың бірі деп белгіленген Аргентинаның солтүстігіндегі Рио-Хондо ыстық бұлақтары ең көп танылатын жерлердің қатарына кірді. Качеута курорты – Аргентинадағы тағы бір танымал ыстық бұлақ. Еуропадағы ең жоғары температуралы бұлақтар Францияда, Шауд-Айг (Chaudes Aigues) деген шағын ауылда орналасқан. Француздық вулкандық Аувернь аймағының ортасында орналасқан Шауд-Айгтың отыз табиғи ыстық бұлағының температурасы 14 ғасырдан бері үйлерді және шіркеуді жылумен қамтамасыз етіп келеді. Шауд-Айг (Кантал, Франция) – Рим империясынан бері ревматизмді емдеумен танымал шипажай қаласы. Алдыңғы тектоникалық жағдайлардағы карбонатты сулы горизонттар жоғары жылу ағынымен сипатталмайтын аймақтарда да маңызды термалды бұлақтарға орналасқан болуы мүмкін. Мұндай жағдайларда, термалды бұлақтар жағалауға жақын немесе жағалау бойында орналасса, жер асты суларының ағыны құралады, олар жергілікті жарықтар мен карсттік тау жыныстары арқылы ағып өтеді. Бұл Апулия аймағының (Оңтүстік Италия) оңтүстік-шығыс бөлігіндегі бұлақтарға қатысты, онда Адриатика теңізінің жағалауында жартылай су астында қалған үңгірлерден аз мөлшерде күкіртті және жылы сулар ағып шығып, Санта-Чезареа Терме тарихи шипажайларын қамтамасыз етеді. Бұл бұлақтар ежелгі заманнан бері белгілі (Аристотель б.з.д. III ғасырында) және олардың термалды суларының физикалық-химиялық қасиеттері теңіз деңгейінің өзгеруіне байланысты. Үндістандағы геотермальдық энергия резервуарларының бірі – Мадхья-Прадеш штатындағы Таттапани ыстық бұлақтары. Марстағы Үлкен Сыртистегі вулкандық кальдера Нили Патерада табылған кремнийге бай шөгінділер жойылған ыстық бұлақ жүйесінің қалдықтары деп саналады.
Widely renowned since a chemistry professor's report in 1918 classified them as one of the world's most electrolytic mineral waters, the Rio Hondo Hot Springs in northern Argentina have become among the most visited on earth. The Cacheuta Spa is another famous hot springs in Argentina. The springs in Europe with the highest temperatures are located in France, in a small village named Chaudes Aigues. Located at the heart of the French volcanic region Auvergne, the thirty natural hot springs of Chaudes Aigues have temperatures ranging from to more than The hottest one, the "Source du Par", has a temperature of The hot waters running under the village have provided heat for the houses and for the church since the 14th Century. Chaudes Aigues (Cantal, France) is a spa town known since the Roman Empire for the treatment of rheumatism. Carbonate aquifers in foreland tectonic settings can host important thermal springs although located in areas commonly not characterised by regional high heat flow values. In these cases, when thermal springs are located close or along the coastlines, the subaerial and/or submarine thermal springs constitute the outflow of marine groundwater, flowing through localised fractures and karstic rock volumes. This is the case of springs occurring along the south easternmost portion of the Apulia region (Southern Italy) where few sulphurous and warm waters outflow in partially submerged caves located along the Adriatic coast, thus supplying the historical spas of Santa Cesarea Terme. These springs are known from ancient times (Aristotele in III Century BC) and the physical chemical features of their thermal waters resulted to be partly influenced by the sea level variations. One of the potential geothermal energy reservoirs in India is the Tattapani thermal springs of Madhya Pradesh. The silica rich deposits found in Nili Patera, the volcanic caldera in Syrtis Major, Mars, are thought to be the remains of an extinct hot spring system.