Лекция: классификации природных вод по химическому составу

 К наиболее популярным и чаще употребляемым относятся классификации Ч. Пальмера, С. А. Щукарева, В. А. Сулина, О. А. Алекина. Для минеральных вод раньше применяли классифи­кацию В. А. Александрова, а теперь В. В. Иванова и Г.А.Невраева. Для рассолов используется классификация М.Г.Валяшко. Последние классификации подробно рассматриваются в специальных курсах. Описываемые ниже классификации учитывают лишь главнейшие в природных водах анионы (С1^-, SО^--, НСО₃^-) и катионы Na⁺, Ca⁺⁺, Mg⁺⁺).

Классификация С. А. Щукарева. Этой классификацией ио­ны делятся на преобладающие и второстепенные. К преобла­дающим относятся такие, количество которых составляет не менее 25% экв. (сумма анионов и катионов принимается раз­дельно за 100%). В составе воды может быть от 2 до 6 преобладающих ионов, соответственно этом получаются воды двойные, тройные, четверные, пятерные н шестерные. Основы­ваясь на том, что из 6 преобладающих ионов, группируя анионы с катионами, можно образовать 49 различных сочетании, С. А. Щукарев выделяет 49 классов. Если в воде преоблада­ют ионы SО ^--, Na⁺, Ca⁺⁺, то такая вода называется сульфатно-натриево-кальциевой, если же преобладают Cl , HCO , Na , Mg  то — хлоридно-гидрокарбонатно-натриево-магниевой.

Классы гидрокарбонатно-кальциевый, хлоридно-натриевый и сульфатно-кальциевый С. А. Щукарев считает основны­ми, так как воды этих классов формируются в результате не­посредственного выщелачивания горных пород. Все остальные классы относятся к вторичным водам, формирующимся в ре­зультате мстаморфпзации первичных (основных) вод. Классификация С. А. Щукарева, несмотря на ее  простоту, имеет ряд недостатков: 1) гро­моздкость, 2) предложенный математический принцип класси­фицирования является  формальным, 3) не учи­тываются соотношения между ионами, имеющие большое ге­нетическое значение.

        Класификация В. А. СУЛИНА. Она предложена, главным образом, для подземных вод нефтяных месторождений. В основу данной классифика­ции положено несколько признаков: соотношения между ионами. По отношению между ионами подземные воды делятся на четыре основных гидрохимических типа: хлор-магниевый, сульфатно-натриевый, гндрокарбонатно-натриевый и хлоридно-кальциевый. Каждый из типов по преобладающим анионам делится на три группы: гидрокарбонатную, сульфатную, хлоридную. В свою очередь, группы по преобладающему катиону разделяются на подгруппы кальциевую, магниевую и натрие­вую. Наконец, подгруппы делятся по величине свойств (или характеристик), найденных способом Пальмера, на классы. Принадлежность подземных вод к тому или иному гене­тическому типу устанавливается по величине соотношений некоторых ионов, выраженных в эквивалентной форме. Эти со­отношения, названные генетическими коэффициентами, сле­дующие:

1).  ;     2).  ;

Если коэффициент >1, или иначе Na⁺>С1^-+ SО₄^--, то тип воды будет гидрокарбонатно-натриевый (со­довый).

Если коэффициент   <1, то тип воды будет сульфатно-натриевый.

Вода будет принадлежать к хлор-магниевому типу, если коэффициент <1 или С1^- <Na⁺+Mg⁺⁺. В этом случае наряду с NaС1 в воде находятся MgС1₂ и эта соль яв­ляется характерной для данною типа вод.

>1, т.е. С1^->Na⁺+Mg⁺⁺, то очевидно, избыток ионов хлора будет сочетаться с кальцием (СаС1₂) и поэтому тип вод называется хлоридно-кальциевым.

Химический состав подземных вод определяется условия­ми формирования в той или иной конкретной природной об­становке. Поэтому выделенные В. А. Сулиным гидрохимические типы могут служить своеобразными индикаторами ха­рактера природных условий формирования подземных вод. В.А.Сулин выделяет три основных природных обстановки. а) морскую, б) континентальную и в) глубинную.

Морская обстановка характеризуется присутствием мор­ских солей в водах и породах. Она распространяется на участки моря и суши, сложенные осадочными породами, находя­щимися в начальной стадии выщелачивания и промыва, бла­годаря чему в них еще сохраняются соли морского солевого комплекса, состоящие из MgС1₂, MgSО₄, СаSО₄ и т. д. Подземные воды начальной стадии выщелачи­вания морских отложений будут содержать в качестве специ­фического компонента в том или ином количестве хлорид маг­ния, который будет постепенно выноситься из них. Продолжительность процесса выноса морских солей зависит от типа геологических структур, характера рельефа и дренированности района. Повсеместная распространенность в северо-западной части Прикаспийской низменности грунтовых вод хлор-магни­евого типа, обладающих широким диапазоном минерализации, свидетельствует о том, что морские соли здесь еще не вынесе­ны из самых верхних горизонтов осадочных толщ.

Континентальная обстановка формирования подземных вод соответствует следующей стадии выщелачивания пород. Она наступает после того, как хлориды магния будут полно­стью вынесены, и основную роль в солевом составе подземных вод начнут играть менее растворимые сульфатные соли, при­сутствующие в породах преимущественно в виде гипса. Парал­лельно с выщелачиванием гипса идут реакции катионного об­мена между водой и водовмещагощей породой. Так как в поглощенном комплексе морских отложений преобладает нат­рий, то обменные реакции протекают при этом по схеме:СаSO₄ (вода)+2Na⁺(порода)→2Na₂SO₄ (порода). Та­ким образом, сульфат натрия является специфическим компо­нентом континентальной обстановки формирования подзем­ных вод. Следовательно, в условиях нарастания интенсивно­сти промыва пород процесс преобразования химического со­става вод направлен от вод хлор-магниевого типа через сульатно-натриевый к гидрокарбонатно-натриевому типу. В со­вершенно ином направлении изменяется состав, если воды по­падают в глубинною обстановку.

Глубинная обстановка характеризуется присутствием хлорида кальция в водах. В глубоко погруженных гидрогеоло­гически закрытых структурах, по современным воззрениям, подземные воды находятся в состоянии весьма замедленного движения или временного покоя. Согласно В. А. Сулину, во­ды хлор-магниевого типа начальной стадии выщелачивания преобразуются здесь в высокоминерализованные воды хлор-кальциевого типа вследствие того, что в глубинной обстанов­ке идут процессы метаморфизации солевого состава вод и на­копление в них хлорида кальция. Последний накапливается благодаря реакциям катионного обмена, которые протекают в сторону вытеснения поглощенного кальция натрием подзем­ных вод.

Хлорид кальция считается специфическим компонентом подземных вод глубинной обстановки вне зависимости от вели­чины минерализации.

Как следует из изложенного, предложенные четыре типа В. А. Сулина являются генетическими. 1) хлор-магниевый формируется в условиях морской обстановки; 2) сульфатно-натриевый формируется в условиях континентальной обста­новки; 3) гидрокарбонатно-натриевый также отвечает конти­нентальной обстановке, но образуется при более интенсивной стадии промытости пород; 4) хлоридно-кальциевый формиру­ется в условиях глубинной обстановки гидрогеологически за­крытых структур.

      Классификация М.Г.Валяшко. Предложена для систематизации рассолов соляных озер. Все рассолы делятся на три типа: карбонатный, сульфатный и хлоридный. Выделение типов производится по присутствию в рассолах характерных солей. Так, карбонатный (содовый) тип отличается присутствием в рассоле NаНСО₃, хлоридный тип — хлоридов кальция. Сульфатный тип, в зависимости от наличия в рассоле Na₂SO₄ или MgС1₂, Валяшко разделяет на два подтипа: сульфатно-натриевый и хлор-магниевый. В данной классификации гидрохимические типы дают возмож­ность предсказывать прогноз о составе выпадающих из рассо­лов солей при их концентрировании.

Классификация О.А.Алекина. В основу этой классификации по­ложены два принципа: преобладающих ионов и соотношении между ионами О.А.Алекин преобладающими считает ионы с наибольшей концентрацией, причем за второй преобладающий принимается такой ион, содержание которого уступает первому иону в пределах 10% экв. По преобладающему аниону все природные воды делятся на три класса: 1) класс гидрокарбонатных вод; 2) класс сульфатных вод, 3) класс хлоридных вод.

 К гидрокарборатному классу относится большая часть маломинерализованных вод рек, озер и некоторых подземных вод. К классу хлоридных вод относятся, преимущественно, высоко-минерализованные воды океана, морей, соляных озер, под­земные воды закрытых структур и пр. Воды сульфатного класса по распространению и величине минерализации являются промежуточными между гидрокарбонатными и хлоридными водами. Генетически они связаны с различными оса­дочными породами.

Каждый класс делится О.Д.Алекиным по преобладаю­щему катиону на группы кальциевых, магниевых и натрие­вых вод. В пределах группы выделяются следующие типы вод:

Первый тип характеризуется соотношением

HCO₃^->Ca⁺⁺+Mg⁺⁺

 Воды этого типа являются щелочными, мягкими, образуются при растворении продуктов выветривания изверженных по­род, содержащих значительное количество натрия и калия. Они также могут образовываться за счет обменных реакций между кальцием вод и натрием в поглощенном комплексе пород. Воды первого типа чаще всего маломинерализованы, но в бессточных озерах могут иметь очень высокую минерализа­цию, К первому типу относятся также некоторые нефтяные воды.

Второй тип характеризуется соотношением

НСО₈^-<Са⁺⁺+ Mg⁺⁺<НСО₃^-+ SО₄^--.

Воды этого типа связаны с различными оса­дочными породами и продуктами выветривания коренных по­род. К этому типу относится большинство рек, озер и подзем­ных вод малой и умеренной минерализации.

Третий тип характеризуется соотношением

НСО₃^- +S0₄^--<Са⁺⁺+ Mg⁺⁺,

или, что то же самое С1^-> Nа⁺. Генетические воды этого типа являются смешанными и метаморфизованными. К ним принадлежат воды океана, морей, лиманов, многих соляных озер, большинство сильно минерализованных подзем­ных вод.

Четвертый тип характеризуется соотношением НСО₃^- =О, т. е. воды  типа кислые. Эти воды руд­ные, рудничные, болотные, вулканические, а также воды, силь­но загрязненные промышленными стоками.

Для обозначения классов, групп и типов в данной клас­сификации существуют символы. Класс обозначается симво­лом соответствующего аниона С—НСО₃^-, S - S0₄^--, С1^-, группа — символом катиона: Na⁺, Ca⁺⁺, Mg⁺⁺; тип обознача­ется римской цифрой. Символы пишутся следующим образом: С^Са_II (гидрокарбонатный класс, группа кальция, тип второй), S^Na_II (сульфатный класс, группа натрия, тип второй), или, для более сложного состава ClS_III^Na,Mg, (сульфатyо-хлоридный класс, группа натрия и магния, тип третий).

Кроме того, к индексу добавляется величина минерали­зации (внизу, с точностью до 0,1 г/л) и общая жесткость (вверху, с точностью до целых единиц мг/экв), например С_II0.4^Ca5 (класс гидрокарбонатный, группа кальция, тип вто­рой, минерализация 0,4 г/л, жесткость 5 мг/экв, или короче эту воду можно назвать так гидрокарбонатная, кальциевая, вто­рого типа).

Классификация О.А.Алекина обладает рядом ценных преимуществ. Она проста, легко запоминаема и удачно соче­тает два важнейших принципа химического классифицирова­ния природных вод. Типы вод позволяют судить о генезисе во­ды, ее химических свойствах и качествах. Однако данная классификация более пригодна для систематизации поверхност­ных вод.Чтобы приспособить классификацию О.А.Алекина к подземным водам без нарушения ее цельности, мы предло­жили тип III разделить на два самостоятельных типа IIIа и IIIб. После такого дополнения типы О. А. Алекина будут со­вершенно идентичны хлоридно-кальциевым типам В А Сулина. Она также становится пригодной для Классификации нефтяных вод, озер­ных и подземных рассолов

 Данная классификация являет­ся наиболее удачной из существующих общих химических классификации природных вод Выделение типов имеет не только генетическое, но и практическое значение для оценки питьевых, технических и ирригационных качеств воды.

При определении принадлежности воды к тому или иному типу достаточно помнить три следующих соотношения С1^->Nа⁺, С1^->Nа⁺+ Mg⁺⁺ и НСО₃^->Са⁺⁺+ Mg⁺⁺. После определения класса и группы воды надо рассматривать первое неравенство (в % экв. или мг-экв). Если оно справедливо, то вода принадлежит к третьему типу. Беря теперь второе нера­венство и видя, что С1^-> Nа⁺+ Mg⁺⁺ (т. е. в воде имеются, хлориды кальция), вода относится к типу третий «б» Если же С1^—< Na⁺+Mg⁺⁺ - тип будет третий «а». В случае же С1^—< Na⁺ вода относится к первому или второму типу. При наличии между ионами соотношения НСО₃^- > Са⁺⁺+ Mg⁺⁺ (присутствует NaНСО₃) тип воды будет первым, при НСО₃^-<Са⁺⁺+ Mg⁺⁺ тип воды—второй.

         Наиболее полная классификация вод по ионному составу была предложена Н.И.Толстихиным в 1935 г. известная под названием «Нумерация природных вод» охватывает все их разнообразие в природе.Тогда же были выделены четыре генетических типа по соотношению ионов со следующими названиями: Байкальский, тип оз. Шира, океанско-морской, Усольский и Улан-Булакский. Сущность нумерации вод по химическому составу зеключается в том, что выделенные в процент-эквивалентах группы (аналогичные характеристикам Ч.Пальмера) анионов и катионов (принятые каждый в отдельности за 100%) наносимых на диаграмму пальмеровских групп ионов (а,ℓ, S, A) и определять принадлежность вод к I – щелочной, II – промежуточной, III – жесткой, IV – с постоянной жесткостью, V – кислой..

     Основная литература: ОЛ 1 [22-31], 3 [14-26].    

     Дополнительная литература: ДЛ 5,7.

     Контрольные вопросы:

       1. Какие недостатки у классификации С.А.Щукарева?                          

2. Для каких подземных вод прелагется исследовать по классификации В.А.Сулина?

3. Какие континентальные факторы обуславливают формированию подземных вод?

4. Какая предложена классификация для солевой систематизации солевых озер?

      6– лекция:ОБЩИЙ ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Главные ионы в водах и их происхождении. Соприкасаясь в своем круговороте с разнообразными по составу породами, подземные воды заимствуют из них много­численные химические элементы. Из периодической системы Мен­делеева в земной коре при­сутствует 92 с преобладанием всего восемь элементов: О, Si, А1,Fе, Са, Nа, К, Мg.

 В настоящее время в подземных во­дах обнаружено более 60 элементов. Однако ограниченная растворимость веществ, составляющих земную кору, значи­тельно сокращает количество основных компонентов химиче­ского состава природных вод, и к числу главных ионов, содер­жащихся в них, как правило, относят ионы: С1^-, SO₄^--, НСО₃^--, Na⁺, Мg⁺, Са⁺⁺ и К⁺, которые образуют ос­новную часть ее минерального состава. Эти ионы составляют обычно свыше 90—95% всех растворенных солей (О. Л. Алекин).

       Главные ионы определяют химический тип воды. Их иначе называют макрокомпонентами. Макрокомпоненты содержатся в водах в гораздо меньших количествах и не определяют химического типа вод. Ряд компонентов, растворенных в при­родных водах, занимает промежуточное положение между макро- и микрокомпонентами. К числу их относятся Н⁴, NН₄⁺, NO₃^-, H₂SiO₃, Fe⁺⁺, Fe⁺⁺⁺. Перечисленные компоненты в некоторых типах вод могут приобретать превалирующее зна­чение.

Весовое содержание главных ионов зависит от минерализации воды. В водах весьма пресных оно выражается первыми единицами миллиграммов в литре, в рассолах же достигает несколъких сотен граммов на 1 кг.

Хлоридные ионы обладают высокой миграционной спо­собностью, т. с. способностью к перемещению, определяемой физико-химическими константами данного иона и условиями среды, в которой происходит миграция. Они не образуют труднорастворнмых минералов, не адсорбируются коллоидны­ми системами (за исключением красноземных почв влажных тропиков), не накапливаются биогенным путем. Растворимость хлоридных солей натрия, магния и кальция очень высокая. Вследствие указанных причин хлоридные ио­ны беспрепятственно мигрируют с водами. Характеризуемые ионы присутствуют во всех природных водах от следов до пер­вых сотен граммов 1 л рассола. В слабо- и умеренно мине­рализованных водах ионы хлора обычно находятся на третьем месте. В водах повышенной минерализа­ции ионы хлора, также как и сульфатные ионы, по количест­венному содержанию занимают первое или второе место. Морская вода, рассолы глубинных подземных горизонтов и рапа большинства озер относятся к хлоридному классу.

В земной коре количество хлора составляет 0,017% ее веса (А. П. Виноградов). Главным источником ионов хлора в природных водах является галит, как рассеянный в породах, так и содержащийся в них в виде пластов и штоков. Хлор также поступает в воду при выветривании магматических по­род. Важным источником ионов хлора в поверхностных и подзем­ных водах являются атмосферные осадки, содержащие то или иное количество этого иона. В засушливых районах ионы хло­ра образуются при растворении солончаков. Какая-то часть хлора попадает в воду с вулканическими выбросами. Нако­нец, одним из источников характеризуемого иона для неглу­боко залегающих грунтовых вод являются хозяйственные и промышленные отходы.

Сульфатные ионы также обладают хорошей подвижно­стью, хотя и уступают в этом отношении хлоридным. Коллои­ды почв почти не задерживают SO₄^--, и только во влажных тропиках возможно адсорбирование этого иона положительно заряженными гидроокислами железа и алюминия.В от­сутствие кислорода (в анаэробной среде) сульфатные ионы становятся неустойчивыми и восстанавливаются до сероводо­рода. Основная роль в этом процессе принадлежит сульфат-редуцирующим бактериям, развивающим свою деятельность при наличии органического вещества.

Схематически восстановление сульфатов изображают следующим образом: С₆Н₁₂О₆+Nа₂SО₄→ ЗСО₂ +3Nа₂СО₃ +3Н₂S + ЗН₂О +Qкал.

Так как сера входит в состав белков и многих других органических соединений, она захватывается живым веществом. Растения усваивают серу в форме SO₄^--. С этим связано биогенное накопление серы в гумусовом горизонте почв. Таким образом, ряд протекающих процессов задерживает накопление ионов SO₄^-- в природных водах по мере роста их минерализации Сульфатный ион является одним из важных в природных водах. Поверхностные и подземные воды неглубоких горизон­тов почти всегда содержат сульфаты. На больших глубинах, в закрытых геологических структурах, нередко залегают безсульфатные воды. Сульфатные ионы доминируют в умеренно минерализованных водах рек и озер. В слабо минерализован­ных водах сульфатные ионы обычно уступают свое первенство гидрокарбонатным ионам. Умеренно минерализованные воды артезианских бассейнов чаще всего имеют смешанный анион­ный состав.

Основным источником появления в воде сульфатов явля­ются различные осадочные породы, в состав которых входят гипе и ангидрид. Немаловажное значение в обогащении вод ионами SO₄^-- играют процессы окисления сульфидов, широ­ко распространенные в земной коре. Они протекают по следу­ющим уравнениям:

1) PbS (Галенит) +2O₂→PbSO₄

2) CuFeS₂ (халькопирит) +4O₂→CuSO₄+FeSO₄

3) 2FeS₂ (Пирит) +7O₂+2H₂O→ Fe2(SO₄)₃+2H₂O.

В ходе процессов окисления резко снижается рН среды (c 6,9 до 2,9).

Значительное количество сульфидов, и особенно Н₂S выделяется при вулканических извержениях и окисляется до SO₄^--. Низкие концентрации ионов SO₄^-- могут быть обусловлены привносом сульфатов дождевыми водами. В пустынных условиях поверхностные и грунтовые воды обогащаются сульфатами при выщелачивании солончаков, содержащих кроме галита гипс и мирабилит (Nа₂SO₄∙10Н₂О). Какое-то количество сульфатов попадает в воды из промышленных бытовых отходов.

Гидрокарбонатные и карбонатные ионы являются важнейшей составной частью химического состава природных вод. Оба эти иона, будучи производными угольной кислоты, сходятся в растворе между собой и с угольной кислотой в, определенных количественных отношениях:

Н₂С0₃→Н⁺ + НСО₃^-→2Н ⁺ +СО₃^--.

Изменение содержания одного из членов этого равновесия влечет за собой изменение другого.

Гидрокарбонатные ионы встречаются во всех природных водах, кроме кислых. Они, как правило, доминируют в водах низкой и довольно часто — в водах умеренной минерализации. Пресные воды преимущественно относятся к гидрокарбонатному классу. Накопление в водах ионов НСО₃^- лимитируется присутствием кальция, образующего с НСО₃^- слабо растворимую соль. В природных водах при преобладании Са ⁺⁺ не наблюдается большого содержания ионов НСО₃^-. Обычно в реках и озерах оно не превышает 250 мг/л. В подземных водах при наличии больших количеств двуокиси углерода (СО₂) концентрация НСО₃ значительно повышаете. (Нарзан — 1,24 г/л).

Считается общепризнанным, что источником НСО₃^--, СО₃^--— служат различные карбонатные породы — известняки, доломиты, мергели и др., карбонатный цемент многих осадочных пород. Растворение карбонатов кальция и магиния происходит по следующим уравнениям:

СаС0₃+ СО₂+Н₂О→Са⁺⁺+2НСО₃^-

МgС0₃+ СО₂+Н₂О→Mg⁺⁺+2НСО₃^-

Как видно из реакций, гидрокарбонатные ионы здесь имеют комплексное происхождение. Часть их получается в результате перехода карбонатов в раствор, а часть — из СО₂. Течение реакции слева направо может идти только в прнсутствии СО₂ и чем больше ее содержится в воде, тем интенсив-нее растворяются карбонаты.

Повсеместным источником появления в подземных водах С0₂ несомненно является наземный и подземный воздух. Со­держание СО₂ в подземной атмосфере в результате микробио­логических процессов во много раз увеличивается. По данным: почвоведов, почвенный воздух или воздух вообще классической массы продуктов выветривания содержит до 1% и более СО₂. Содержание СО₂ в грунтовом воздухе на глубине 6 м от поверхности достигает 7%. Растворение таких количеств СО₂ и обусловливает более высокие концентрации НСО₃^-- в подземных водах.

Гидрокарбонатные ионы могут образовываться в водах совершенно независимо от наличия в водоносных породах кар­бонатного вещества. Воды, формирующиеся в современной коре выветривания изверженных пород относятся преимущественно к гидрокарбонатному классу. Являясь постепенным компонентом этих вод, ионы НСО₃^-- имеют биохимическое происхождение, так как выветривание изверженных пород идет при обязательном участии микроорганизмов. Еще  один источник происхождения угольной кисло­ты и ее производных, имеющих локальное значение, — это магматические процессы.

Ионы натрия по распространенности среди катионов сто­ят на первом месте. Все соли натрия обладают высокой раст­воримостью. Поэтому миграционные возможности натрия весьма широки и  уступает только иону хлора, так как может вступать в обменные реакции с поглощенным комплексом пород, н следовательно, выводиться из раствора. Последнее объясняется наблюдаемое иногда отставание Nа ⁺ от С1^- в процессе роста минерализации воды.

В водах низкой минерализации Nа ⁺ чаще всего занимает третье место по концентрации, хотя в коре выветривания изверженных пород нередко встречаются слабоминерализованные воды натриевой группы. С повышением минерализации содержание Nа ⁺ увеличивается, и уже в водах, имеющих минерализацию несколько граммов на литр, Nа⁺ в большинству случаев становится преобладающим катионом. В морской воде ноны Nа⁺составляют около 84% веса всех катионов. Количество их в рассолах выражается несколькими десятками грам­мов на килограмм.

Большая часть ионов натрия уравновешивается ионами хлора, образуя с ними весьма подвижное и устойчивое соеди­нение, которое со значительной скоростью мигрирует в раст­воре. Меньшая, но все же значительная часть Nа⁺ мигрирует в форме сернокислых солей и в значительно меньших ко­личествах — в форме неустойчивых углекислых солей.

В земной коре содержание Nа⁺ составляет 2,5% по весу. Большая часть его атомов входит в состав различных силика­тов. Одним из источников появления Nа⁺ в водах являются продукты выветривания изверженных пород - алюмосиликатов (альбит, плагиоклаз, нефелин и др.).

Другим важным источником Nа⁺ в водах служат залежи его солей, главным образом каменной соли, и рассеянные в породах и почвах его соединения (галит, мирабилит и др.). И наконец, как одновалентный ион, натрий вытесняется из по­глощенного комплекса пород и почв двухвалентными нонами кальция и магния, что способствует накоплению его в подземных водах.

Калий по химическим свойствам и величине содержание в земной коре — аналог натрия. Большая часть атомов этого элемента в литосфере связана с силикатами. Для калия — это ортоклаз, микроклин, мусковит, в меньшей степени лейцит, другие силикаты. Калий так же, как и натрий, образует легкорастворимые соединения с главными анионами (КС1, КаSО₄, КаСО₃). Однако ионы калия содержатся в подземных водах в очень незначительных концентрациях. Количество ка­лия обычно составляет около 4—10% содержания натрия, с наибольшим процентом в мало минерализованных водах. Но это соотношение под влиянием локальных условий часто нарушается. Причина указанного явления заключается не в химических свойствах, а в слабой миграционной способности калия, обусловленной, главным образом, его биологической ак­тивностью. Калий извлекается из растворов животными и ра­стительными организмами. Кроме того, калий входит в кристаллическую решетку вторичных минералов. Относительная концентрация ионов калия в атмосферных осадках значитель­но выше, чем в других видах природных вод. Это объясняется иными условиями формирования химического состава вод в атмосфере.

Кальций среди щелочных и щелочноземельных металлов обладает наивысшим кларком; его содержание в изве­стняках, мергелях и некоторых других породах может превы­шать 10% (максимум — до 40%). Среднее содержание каль­ция в живом веществе составляет 0,5%. Этот элемент активно участвует в биологических процессах. После смерти организ­мов кальций быстро переходит в минеральную форму и посту­пает в почву. Поэтому почвенные растворы, как правило, являются кальциевыми. Кальций преобладает и в поглощенном комплексе почв и пород.

Ионы кальция часто доминируют в катонном составе слабоминерализованных вод. Гидрокарбонатные кальциевые воды пользуются региональным распространением в хорошо дренированных местностях. С ростом минерализации относительное содержание Са⁺⁺ быстро уменьшается. Это объясняет­ся сравнительно ограниченной растворимостью сернокислых и низкой растворимостью углекислых солей кальция, вследствие чего при испарительном концентрировании природных вод, имеющем место в аридных условиях, непрерывно выводятся из раствора громадные количества Са⁺⁺ в виде СаSО₄ и СаСO₃. По этой причине количество Са⁺⁺в природных водах редко превышает 1 г/л.Только в глубинных хлоридных кальциевых рассолах содержание кальция выражается: десятками граммов на килограмм.

Одними из важных источников Са⁺⁺ в природных водах являются известняки, доломиты и известковистый цемент горных пород, которые растворяются в воде по следующей схеме:

СаCО₃+СО₂+Н₂О→Са (НСО₃)₂.

Значительные количества кальция переходят в воду за счет растворения гипса, широко распространенного в земной коре. Ионы кальция освобождаются и поступают в воду в процессе выветривания кальцийсодержащих силикатов. Это— весьма распространенный источник обогащения природных вод кальцием. Ионы кальция поступают в воду при фильтра­ции ее через почву. Наконец, источниками кальция могут быть реакции катионного обмена и атмосферные осадки.

Магний по своим химическим свойствам близок к каль­цию, кларки их одного порядка (2, 10 и 3, 6), но миграция этих элементов протекает по-разному. Биологическая актив­ность у магния выражена слабее, чем у кальция. В поглощенном комплексе пород магний связывается слабее, чем кальций, этот элемент входит в состав многочисленных вторичных силикатов.

Хотя ионы магния присутствуют почти во всех природных водах, но тем не менее очень редко встречаются воды, в кото­рых магнии доминирует. В минерализованных водах содержание магния доходит до нескольких граммов, а в рассолах — до десятков г/кг. Ионы магния поступают преимущественно при растворе­нии доломитов, мергелей или продуктов выветривания основ­ных, (габбро) и ультраосновных (дунит, перидотит) к других пород. В водах, формирующихся в перечисленных породах, даже на низких стадиях минерализации ионы магния зани­мают первое место в катионном составе или разделяют пер­венство с иопами кальция.

Основная литература: ОЛ 1 [38 - 58], 3 [27 - 44].

Дополнительнаялитратура: ДЛ 1 [28 - 32].

Контрольные вопросы:

1. Какие ионы относятся к главным?

2. Назовите основные ионы

3. Какие воды относятся к гидрокарбонатным?

4. Какие ионы являются высоко растворимыми?