Геохимическая классификация вод

Все воды, содержат растворённые газы, ионы, недиссоциированные молекулы, многие – коллоидные частицы. При геохимической клас­сификации необходимо чётко определить таксономическое значение каждого компонента вод. Задача эта решалась по-разному. В.И. Вер­надский считал воду особым минералом и выделил 485 её видов, от­мечал, что общее их число превышает 1500. Все воды учёный разде­лил на три подгруппы: твёрдую воду (льды), газообразную (надзем­ные и подземные пары) и жидкую. В жидкой воде были выделены клас­сы пресных, солёных и рассольных вод. Данная классификация геолого-географо-геохимическая, т.к. она учитывает не только геохими­ческие особенности вод, но и физико-географические и геологичес­кие условия их распространения и залегания.

Есть и другие классификации вод. Так, разработана геохими­ческая классификация вод, включающая шесть главных таксонов: гру­ппу, тип, класс, семейство, род и вид вод.

а) Температура вод.

Данный параметр – важнейший, он определяет условия миграции и формы нахождения элементов в водах, скорость химических реак­ций. Выделяют семь особых температурных точек воды, отвечающих её структурным превращениям: 4, 40, 85, 165, 225, 340 и выше 400°С. Учитывая это, можно выделить четыре группы вод:

1. Холодные и слаботермальные воды верхней части земной коры. В этой воде возможна энергичная бактериальная деятельность. 40°С яв­ляются приблизительной границей зоны гипергенеза. Выше 40°С начи­нается область гидротермальных процессов, которая разделяется на несколько температурных интервалов.

2. Горячие и умеренно перегретые (40-200⁰С).

3. Сильноперегретые (200-375°С).

4. Флюидные (выше 375°С). Флюиды – это газово-жидкие растворы.

б) Окислительно-восстановительные условия вод.

Большое таксономическое значение этих условий объясняется огромным энергетическим эффектом окислительно-восстановительных реакций, коренным образом меняющим геохимическую обстановку в во­дах. Каждая природная вода характеризуется определённой величиной окислительно-восстановительного потенциала Eh, который, как и pH, определяется потенциометром или колориметрически. Ehможет быть определён и для условий окисления и восстановления определённого элемента или иона. В справочниках есть данные стандартных элек­тродных окислительно-восстановительных потенциалов E₀ для ряда металлов и ионов. Поэтому величины E₀ также используются для гео­химических построений. Так, щелочные и щёлочноземельные металлы (Na, K, Ca) обладают низкими стандартными и нестандартными потенциалами E₀ и Eh (значительно ниже водорода) и переходят в состояние положительно заряженного иона. Эти элементы – сильные восстановители, они разлагают воду, выделяя из неё водород. В земной коре они легко вступают в химические соединения, и мы не знаем самородных Na, K, Ca и т.д. Au и Pd, наоборот, с боль­шим трудом отдают свои валентные электроны, их потенциалы поло­жительные, они с трудом вступают в химические соединения и нахо­дятся преимущественно в самородном состоянии. Остальные элементы занимают промежуточное положение.

С ростом температуры E₀ изменяется, и в гидротермальных раст­ворах реакции окисления и восстановления идут при иных значениях потенциалов. Например, если стандартный потенциал окисления Fe²⁺ до Fe³⁺ при 25°С равен +0,771В (в сильнокислой среде), то при 50°С уже +0,800 В, а при 200⁰С +0,97В. Следовательно, с по­вышением температуры расширяется поле существования восстановленных форм элементов (Fe²⁺, Cu²⁺ и др.) за счёт окисленных (Fe³⁺, Cu²⁺). На величину Eh природных вод влияют О₂, H₂S, Fe²⁺, Fe³⁺, Mn²⁺, Mn⁴⁺, V³⁺, V⁵⁺, H⁺, органические соединения и другие «потенциалзадающие компоненты».

Данные о Eh природных вод позволяют судить о миграционной способности элементов, об условиях их концентрации и рассеяния.

По окислительно-восстановительным условиям выделяют три ти­па вод:

1. Кислородные воды (с окислительной обстановкой). Для них ха­рактерно присутствие O₂ или других сильных окислителей. Многие элементы находятся в высоких степенях окисления – Fe³⁺, Cu²⁺, S⁶⁺ и т.д. В зоне окисления сульфидных месторождений при pH 1-2 железо может быть в виде Fe²⁺. Осадочные породы, сформиро­вавшиеся в окислительных условиях, обычно имеют красную, бурую и жёлтую окраску. В зоне гипергенеза и при щелочной среде Eh может лишь незначительно превышать 0, обычно Eh > 0,15 В. В кислой сре­де нижний предел окислительной обстановки превышает 0,4 В (т.е. Eh 0,15-0,4, соответствует восстановительным условиям). Главным критерием восстановительных обстановок служит Fe²⁺ и O₂.

2. Тип сероводородных (сульфидных) вод (с восстановительной об­становкой) характеризуется H₂S, HS^-, S^2-. Fe и многие другие металлы часто не мигрируют, т.к. они образуют труднорастворимые сульфиды. Величина Eh обычно ниже 0, местами она понижается до -0,5 – (-0,3) В. Цвет пород - чёрный, серый, зелёный и т. д.

3. Тип глеевых вод (с восстановительной бессероводородной обс­тановкой) характерен для гипергенных систем. Показателями восста­новительной среды служат CH₄ и другие углеводороды, растворённые органические соединения, Fe²⁺, H₂. В глеевой обстановке мигри­руют многие металлы, часто в форме органических комплексов. Ок­раска горных пород белая, сизая, серая, зелёная.

в) Щёлочно-кислотные условия вод.

Воды зоны гипергенеза делят на четыре класса:

1. Сильнокислые воды с pH<3. Они распространены широко, но, как правило, на небольших площадях. Кислотность таких вод обяза­на окислению пирита и других персульфидов, приводящему к образо­ванию свободной H₂SO₄. В сернокислых водах легко мигрирует боль­шинство металлов, в том числе Fe, Cu, Al, Zn и др. В вулкани­ческих районах и глубоких горизонтах артезианских бассейнов из­вестны и солянокислые воды.

2. Слабокислые воды с pH от 3 до 6,5. Их кислотность обуслов­лена разложением органических веществ, приводящим к поступлению в воду CO₂, органических кислот. В таких водах легко мигрируют металлы в форме гидрокарбонатов и комплексных соединений с орга­ническими кислотами. Подобные воды распространены исключительно широко.

3. Нейтральные и слабощелочные воды с pH от 6,5 до 8,5. Их реакция часто определяется отношением Ca(HCO₃)₂:CaCO₃ или Ca(HCO₃)₂:CO₂. Эти воды менее благоприятны для миграции боль­шинства металлов, которые осаждаются в форме нерастворимых осно­ваний, карбонатов и др. солей. Аниогенные элементы (Si, Ge, As, V, U, Mo, Se и др.), напротив, мигрируют легко. Такие воды характерны для морей и океанов, вод известняков и изверженных по­род.

4. Сильнощелочные воды с рН > 8,5, обязаны своей реакцией при­сутствием соды (NaHCO₃, реже Na₂CO₃). В щелочных содовых водах легко мигрируют кремнезём, Al (образующий алюминаты натрия), Mo.

Большая группа элементов обладает высокой миграционной способ­ностью, т.к. в этих условиях возникают карбонатные растворимые комплексы (Cu, Zn, Be, Y и редкие земли иттровой группы, Sc, Zr и др.).

г) Общая минерализация вод.

По этому параметру выделяется следующий таксон классификации - семейства вод, границы между которыми носят искусственный ха­рактер. Выделяют пять семейств.

1. Ультрапресные воды (< 0,1 г/л) широко распространены в природе, к ним относятся многие атмосферные осадки, поверхност­ные и грунтовые воды материков в районах влажного климата. Эти воды имеют большую растворяющую способность.

2. Пресные воды (0,1-1 г/л) характерны для большинства рек и озёр влажного климата, многих грунтовых, пластовых и трещинных вод. Эти воды составляют главную базу питьевого и технического во­доснабжения.

3. Солоноватые воды (1-3 г/л) широко распространены в степях, пустынях и сухих саваннах, в артезианских бассейнах. Они насыщены CaCO₃, MgCO₃ и частично CaSO₄. Поэтому растворяющая способность вод ослаблена, при небольшом повышении концентрации из них осаж­даются труднорастворимые соли, которые обусловливают карбонатизацию и огипсование почв и пород.

4. Солёные воды (3-36 г/л). К ним относятся океанические, многие поверхностные и подземные воды материков. Это самые расп­ространённые воды нашей планеты.

5. Рассолы (> 36 г/л): слабые (36-150 г/л), крепкие (150-320 г/л), весьма крепкие (320-500 г/л), и предельно насыщенные (> 500 г/л). Они характерны для некоторых солёных озёр, глубо­ких горизонтов пластовых вод, глубоких трещинных вод и извержен­ных пород. Преобладают хлоридные рассолы.

д) Растворённое органическое вещество (РОВ).

Большинство вод земной коры содержит РОВ. В нём выделяют ве­щества гумусового и нефтяного ряда. По содержанию РОВ выделяют четыре рода вод.

1. Воды, богатые РОВ гумусового ряда, в соединении с которыми мигрируют и многие рудные элементы.

2. Воды, богатые РОВ нефтяного ряда, особенно характерные для глубоких подземных вод нефтегазовых месторождений. В составе РОВ преобладают низкомолекулярные жирные кислоты, обнаружены также нафтеновые кислоты, бензол, толуол, фенолы, спирты, сложные эфиры. Есть и вещества гумусового ряда.

3. Воды, бедные РОВ. К ним относятся воды некоторых горных рек, изверженных пород, высокогорных озёр и т. д.

4. Воды, промежуточные по содержанию РОВ, к ним относятся океа­нические, и многие другие воды.

ж) Ионный состав вод.

Последний таксон классификации – вид, выделяется по этому параметру. По анионному составу выделяют гидрокарбонатные (карбо­натные), сульфатные и хлоридные воды. Дальнейшее деление проводит­ся по катионам и соотношениям ионов.

2.4 Магматические и гипергенные физико-химические системы

Основную информацию по геохимии магматизма дают изучение из­верженных пород, данные эксперимента, осуществляемого при высокой температуре и давлении, исследования современного вулканизма, дан­ные петрургии (науки о каменном литье), пирометаллургии (науки о жидких шлаках).