Лекция 12. Формирование состава подземных вод

Формирование состава подземных вод.

12.1. Условия формирования химического состава подземных вод

В верхней части земной коры подземная вода, движущаяся в различных толщах горных пород и, взаимодействуя с ними, растворяет и выщелачивает содержащиеся в них вещества и, таким образом, превращается в раствор сложного состава. Инфильтрующаяся в горные породы атмосферная, слабо минерализованная вода, обогащается по пути движения не только различными солями, но и органическим веществом и газами. Изменение химического состава подземных вод происходит в результате смешения вод различной минерализации, испарения и т.д. К числу основных природных условий, от которых зависит химический состав подземных вод, относятся: климатические особенности, характер почвенного слоя, состав горных пород, деятельность живых организмов.

В районах избыточного увлажнения вследствие интенсивного питания и подземного стока подземные воды слабо минерализованы. В засушливых степях наоборот.

Процесс формирования химического состава подземных вод весьма сложен. Г.Н.Каменским выделены следующие основные генетические циклы:

1. Инфильтрационный или континентальный, связанный с процессами выветривания в верхних слоях земной коры;

2. Морской или осадочный, связанный с проникновением морских вод в толщи пород в процессе осадкообразования;

3. Метаморфический и магматический.

12.2. Макрокомпоненты химического состава подземных вод

К этому понятию относят элементы, составляющие основную часть минерализации. Они определяют геохимический облик воды. В гидрохимии используют шестикомпонентный состав подземных вод:

анионы: , , ()

катионы: , , ().

Распределение макрокомпонентов с ростом минерализации следующее: в области пресных вод преобладает гидрокарбонат-ион, сульфат-ион в солоноватых и хлор-ион в соленых водах. В катионном составе пресные воды обычно кальциевые, а соленые – натриевые. Эти закономерности объясняются растворимостью соединений и , и NаСl, которые при росте минерализации ограничивают накопление соответствующих ионов.

Хлор-ион – наиболее часто содержится в подземных водах в виде соединения NaCl. Накапливаясь в океане, хлор является затем основным компонентом седиментационных вод. Для пресных подземных вод источником хлора могут быть хлорсодержащие минералы. Техногенный фактор также ведет к увеличению содержания хлора в подземных водах.

Как правило, подземные воды, предназначенные для питьевого использования, не должны содержать более 350 мг/л хлор-иона.

Сульфат-ион. Происхождение иона различно. Он может образовываться в результате выщелачивания из горных пород (гипс, ангидрит), а также в процессе окисления сернистых соединений (пирит). В питьевых водах содержание обычно не должно превышать 500 мг/л.

Гидрокарбонат- и карбонат-ион. В гидросфере их содержание гораздо ниже содержания хлора и сульфата. Причина заключается в образовании трудно растворимых карбонатов кальция и магния. Гидрокарбонатные ионы преобладают в природных водах при минерализации до 0.5 г/л. В солоноватых и соленых водах их мало.

Натрий-ион широко распространен, входит в состав многих силикатов и легкорастворимых минералов. В природных водах хорошо коррелируется с содержанием хлора. Находится в пресных соленых водах. Источником натрия являются легкорастворимые соли, морская вода и т.д. В питьевой воде не должно содержаться натрия более 200 мг/л.

Калий-ион хорошо сорбируется глинистыми минералами. Первичные калиевые минералы разрушаются медленнее, чем натриевые. В природе калий быстрее, чем натрий образует трудно растворимые соединения. Высокие содержания калия в подземных водах могут указывать на месторождения калийных солей.

Кальций-ион. В пресных водах ион кальция хорошо коррелируется с гидрокарбонат-ионом, в солоноватых – с сульфат-ионом. Основным источником кальция в подземных водах служат карбонатные породы, гипс, плагиоклазы. Кальций совместно с магнием образует важную характеристику воды – ее жесткость. Для питьевых целей используется вода с общей жесткостью до 7 мг-экв/л.

Магний-ион. Растворимость его минералов выше, чем кальциевых. Однако, в природных водах он играет подчиненную роль, его концентрация мало зависит от минерализации. Основные источники магния в пресных водах – доломит и доломитизированные известняки.

Железо в подземных водах обычно находится в закисной () или в окисной () форме. Закисные соединения неустойчивы и при доступе кислорода легко окисляются. При выпадении гидратов Fe в осадок, происходит помутнение воды (желтовато-бурая окраска). В питьевых водах допускается содержание железа до 1 мг/л.

Соединения азота. В природных водах встречаются неорганические (, , ) и органические соединения азота. Особенно высоких концентраций может достигать содержание нитратов в природных водах сельскохозяйственных районов, где используются азотные удобрения. При разложении живого вещества органический азот переходит в аммонийную форму, которая, окисляясь, переходит в нитратную.

Соединения азота в воде – индикатор загрязнения: и на свежее, а – на старое загрязнение. В питьевой воде содержание не должно превышать 10 мг/л.

Фтор – наименьшее его содержание отмечается в пресных водах с большим количеством гуминовых веществ. Резко повышены содержания фтора в термальных водах. Основным источником фтора в воде являются атмосферные осадки и фторсодержащие минералы (флюорит и др.). В питьевой воде фтора не должно быть больше 0.7-1.5 мг/л.

Бром – рассеянный элемент. Соединения брома хорошо растворимы, миграция его высока. Бром накапливается преимущественно в морской воде и рапах озер. В пресных подземных водах его содержание 5-20 мг/л. Единственный процесс выведения брома из подземных вод – это сорбция глинистыми минералами и органическими соединениями. Широко используются бромные минеральные воды. Для решения гносеологических вопросов используется Cl/Br соотношение (коэффициент).

Бор. В природных водах концентрация бора изменяется широко. Повсеместно содержание бора в щелочных подземных водах – до сотен мг/л. Основным источником бора в подземных водах являются его минералы: бораты, турмалин и др.

Стронций – его поведение в природных водах похоже на поведение кальция. В питьевой воде содержание стронция не должно превышать 2 мг/л. Более высокие содержания могут приводить к заболеваниям костной ткани.

Микрокомпоненты. К ним относятся все другие элементы. В подземных водах обнаружено около 40 микрокомпонентов. Фоновые содержания микрокомпонентов в пресных подземных водах составляют микрограммы на литр. Разнообразны формы миграции. Большинство их мигрирует в истинно растворенной форме.

12.3. Газовый состав подземных вод

Все подземные воды содержат растворенные газы. Кислород (О₂) попадает в воды из воздуха и в результате химической активности быстро связывается. Часто встречается в зоне активного обмена вод. В глубинных пластах он обычно отсутствует.

Азот (N₂) в подземных водах является обязательным элементом. Содержание его в водах большинства нефтегазоносных бассейнов колеблется от 10 до 400 см³/л. Основным источником азота в пластовых водах является органическое вещество. Другим источником газообразного азота является выделяющийся в процессе метаморфизма осадочных пород связанный азот.

Углекислый газ (СО₂). Источником углекислоты в осадочных породах является органическое вещество. Углекислота вступает в реакции в осадочных породах с образованием карбонатов и бикарбонатов. Большое количество углекислоты поступает в пластовые воды в результате метаморфизма карбонатных и магматических пород.

Сероводород (Н₂S) широко развит в районах минерализованных вод. В зоне гипергенеза Н₂S образуется при взаимодействии сульфатов с органическим веществом, при участии сульфат-восстанавливающих бактерий.

Водород (Н⁺), гелий (Не), аргон (Аr) из воздуха поступает в небольших количествах. Основным источником этих газов являются радиоактивные процессы.