title-icon Статьи о ремонте
title-icon
» » Источники растворенного вещества в подземных водах

Источники растворенного вещества в подземных водах

В недрах Земли нет дистиллированной воды. Любая подземная вода содержит растворенные соли, газы, органические вещества, коллоидные вещества. О количестве растворенных в воде веществ обычно судят по сухому остатку, образующемуся при выпаривании воды и выражающемуся в единицах — грамм (миллиграмм) на литр воды или же. грамм (миллиграмм) на килограмм раствора. Часто используются также процент и промилле; в англоязычной литературе широко распространена единица ppm (parts per million) — часть на миллион частей раствора. Соотношение единиц следующее: 1 г/кг = 1% = 0,1 % = 1000 мг/кг = 1000 ppm. Для перехода к объемным массовые единицы помножаются на плотность раствора. Сухому остатку соответствует расчетная характеристика — минерализация воды. Поскольку при упаривании воды примерно половина содержащихся в ней гидрокарбонатных ионов улетучивается в виде углекислого газа [по реакции Ca (HCQ3)2 -> CaCO3 + CO2 + H2O], при подсчете минерализации из общей суммы растворенных твердых веществ вычитается половина концентрации иона HCO3-. Для характеристики концентрации растворенных в воде солей можно пользоваться суммой ионов, которую часто называют соленостью воды. Сумма ионов (солености) широко используется в гидрогеологической и океанографической литературе.
Количество растворенных в подземных водах веществ может изменяться в очень широких пределах, от первых миллиграммов на литр до максимально возможных (около 600 г/л), лимитируемых растворимостью хлористого кальция и хлористого магния. Растворенные вещества содержатся в подземных водах в форме простых ионов, комплексных ионов, коллоидов и газов. Простые ионы преобладают в природных растворах в пределах минерализации воды до 10—15 г/л; для этих пределов минерализации допустимы расчеты активности в соответствии с теорией Дебая—Гюккеля; при более высоких концентрациях солей в воде появляются комплексные ионы. Так, по расчетам С.А. Брусиловского, в морской воде, имеющей минерализацию 35 г/кг, лишь 8,1 % сульфатов находится в форме простого иона SO4в2-, 60,2 % приходится на ион MgSO4в0, 20,0 % на NaSO4- и 11,7 % на CaSO4в0. Вместе с тем часто состав соленых вод и рассолов условно представляют в форме простых ионов, что для общих построений допустимо.
По степени минерализации все природные воды делятся на три группы. Пресными называют воды с минерализацией до 1 г/кг; солеными — от 1 до 35 г/кг и рассолами — свыше 35 r/кг. За граничные здесь приняты важные для науки и практики цифры: вода с минерализацией более 1 г/л обычно не используется для питьевых целей; 35 г/л — минерализация основной массы природных вод — воды Мирового океана.
Охарактеризуем главные источники растворенных в подземных водах веществ.
Атмосферные осадки. Образуются из воды, испаряющейся с поверхности океанов, морей, озер и рек. Естественно, что содержание растворенных веществ в такой воде очень мало. Атмосферные осадки дают начало инфильтрационным и инфлюационным водам, составляющим основную часть вод зоны интенсивного водообмена; поэтому знание их химического состава как «исходной» воды очень важно для гидрогеолога. Зная состав и растворимость главных компонентов воздуха — азота, кислорода, аргона и углекислого газа, нетрудно подсчитать, что атмосферные воды, находящиеся вблизи поверхности Земли, обязательно содержат около 15—20 мг/л азота, 10—15 мг/л кислорода, около 0,5 мг/л аргона и около 1 мг/л углекислого газа. Кроме того, в результате вулканических извержений, электрических разрядов в воздухе, человеческой деятельности атмосфера часто содержит небольшие примеси сернистого газа, соляной кислоты, азотной кислоты, аммиака, метана. Таким образом, попадающие в воздух частицы солей и горных пород не просто растворяются атмосферной влагой, но вступают в сложные химические реакции с растворенными в атмосферной воде и свободными газами. Атмосфера всегда содержит мельчайшие минеральные частицы — аэрозоли. Размеры этих частиц очень разнообразны и могут изменяться от n*10в-7 до n*10в-3 см. Количество аэрозолей и соотношение частиц разных размеров зависит от рельефа и обнаженности земной поверхности, направления и силы ветра, температуры. Главная роль аэрозолей заключается в том, что в условиях насыщенного водяного пара они становятся ядрами конденсации водяного пара, т. е. причиной образования облаков и туманов и выпадения дождя и снега. Ho поскольку аэрозоли состоят из частиц солей и пород, в той или иной степени растворимых, они же являются источником солевого состава атмосферных вод.
Одна из главных причин появления в воздухе аэрозолей — ветровая эрозия земной поверхности. Хорошо известны соляные бури на солончаках, характерные, например, для Приаральских и Прикаспийских пустынь, поднимающие с поверхности земли сотни тонн соды, мирабилита, поваренной соли. Ярким примером ветровой эрозии являются пыльные бури в песчаных или каменистых пустынях или на территориях развития лёссов, поднимающие в воздух сотни тонн тонкодисперсных алюмосиликатов, кремнезема, глинистых частиц. Однако и в более спокойных условиях ветровая эрозия горных пород и почв всегда обогащает воздух высокодисперсными частицами самого различного состава, органическим веществом почв, остатками флоры и фауны.
Другой важный источник формирования аэрозолей — ветровой вынос солей с поверхности океанов, морей и соленых озер. Механизм этого процесса достаточно сложный и в упрощенном виде может быть представлен как отрыв капель воды и их испарение, после которого в воздухе остаются частички солей, часто уносимые ветром на значительные расстояния. Наиболее ярко это явление прослеживается в период летних муссонов на склонах Гималаев, удаленных на сотни километров от берега Индийского океана.
Третьим источником поступления солей в атмосферу являются вулканические извержения, выносящие в воздух громадные количества газов (сернистого, хлора), превращающие атмосферные воды в слабые растворы кислот и выделяющие в воздух большое количество тонкодисперсного материала, уносящегося на расстояния в сотни и даже тысячи километров.
Наконец, огромное значение в формировании воздушного бассейна приобретает человеческая деятельность. Трубы заводов и фабрик выбрасывают в атмосферу сернистый, углекислый и угарный газы, аммиак, метан, окислы азота. Подсчитано, что ежегодное количество серы, выносимое в атмосферу (главным образом, в форме SО2) составляет 110 млн. т. Формирующиеся серная и сернистая кислоты приводят к снижению pH атмосферных осадков до 4,5 и ниже и выпадению кислотных дождей. За последние 10 лет закислены 20 тыс. озер в Швеции и 50 тыс. озер в Канаде; в половине озер Норвегии погибла рыба. He меньшее значение в общем балансе вещества в атмосфере имеет и углекислый газ, количество которого вследствие человеческой деятельности за последние 100 лет увеличилось на 0,003 %, т. е. на 10 % от его нормальной концентрации, а интенсивность поступления постоянно растет. Исследования ученых показывают, что в первой половине XXI в. содержание углекислого газа в атмосфере по сравнению с доиндустриальной эпохой удвоится, что, как предполагают, может привести к повышению средней температуры на Земле на три градуса и вызвать огромные глобальные изменения климата и водного режима на нашей планете. Повышение концентрации углекислого газа сказывается и на химическом составе атмосферных осадков, увеличивая интенсивность разрушения карбонатных аэрозолей и содержание гидрокарбонатных солей в дождевой воде.
Обратимся теперь к непосредственным данным по химическому составу воды атмосферных осадков. Имеющиеся наблюдения показывают, что уже облачная влага содержит некоторое количество растворенных солей. В ее анионном составе обычно преобладают сульфаты, состав катионов пестрый — в близких количествах содержатся натрий, калий, магний, кальций, аммоний; pH облачной воды обычно близок к 5—5,5; суммарное содержание солей в облачной воде не превышает 5—10 мг/л, причем наблюдается тенденция к уменьшению минерализации снизу вверх. Выпадающие дожди (или снег) по мере своего движения к поверхности Земли растворяют соли, содержащиеся в аэрозолях, и их минерализация увеличивается. При этом содержание растворенных веществ в атмосферных осадках падает от начала к концу дождя и, кроме того, зависит от его интенсивности: минерализация падает с увеличением количества выпадающих в единицу времени осадков.
В результате происходящих в атмосфере сложных физических и физико-химических процессов среднее значение минерализации выпадающих на поверхность Земли атмосферных осадков для отдельных пунктов обычно достигает 10—50 мг/л. Средние концентрации отдельных ионов в атмосферных осадках европейской территории России по данным наблюдений, специально поставленных к международному геофизическому году (более 4000 проб)

Показатель pH = 5,5, сумма ионов составляет 16,9 мг/л. Заметим, что приведенные значения концентраций главных компонентов атмосферных осадков в процент-эквивалентах ориентировочные, поскольку при столь малых концентрациях ионов возникает невязка между суммой миллиграмм-эквивалентных концентраций анионов и катионов. На рис. 6.1 показано распределение средних значений суммы ионов атмосферных осадков для европейской территории России; максимальных значений эта величина достигает в степных и пустынных районах.
Балансовые гидрогеохимические расчеты показывают, что в целом, несмотря на низкую минерализацию атмосферных осадков, приносимые из атмосферы соли имеют большое значение в формировании химического состава подземных вод верхних водоносных горизонтов. Для многих водосборных площадей количество привносимых атмосферными осадками хлоридных и сульфатных солей оказывается достаточным для обеспечения их концентраций, наблюдаемых в грунтовых и поверхностных водах.

Горные породы. Если с атмосферными осадками растворенные вещества привносятся в поверхностные водоемы и водотоки и водоносные горизонты недр Земли извне, то горные породы обогащают подземные воды растворенным веществом при их непосредственном контакте. Любая горная порода содержит в той или иной степени растворимые или подверженные химическому выветриванию минералы; в одних случаях растворение и выщелачивание горных пород является главным в формировании химического состава природных вод, в других оно затушевывается другими процессами, но всегда какое-то влияние на формирование химического состава природных вод горные породы оказывают.
Естественно, что породы, которые лучше растворяются, оказывают наиболее заметное влияние на химический состав подземных вод. В первую очередь к ним относится каменная соль. При близком к поверхности залегании каменная соль формирует ореолы соленых и рассольных хлоридных натриевых вод, в которых при появлении пропластков и линз калийно-магнезиальных солей повышаются содержания калия и магния. Следует, однако, иметь в виду, что близкое к поверхности залегание хлоридных солей — явление достаточно редкое, поскольку соли эти растворяются инфильтрационными водами и быстро выносятся. Примером выхода на поверхность каменной соли являются издавна известные соляные купола Прикаспия или Кемпендяйский купол в бассейне р. Вилюй, вблизи которых образовались соленые и рассольные источники и озера с водой хлоридного натриевого состава. Чаще же соляные залежи залегают на значительной глубине, в зоне затрудненного водообмена и являются водоупорными породами.
Среди сульфатных солей наибольшим распространением в недрах Земли пользуются гипс и ангидрит. Растворимость сульфата кальция значительно ниже, чем хлоридных солей, — 2 г/л. Это значение, достаточное для формирования солоноватых вод, но процессы разрушения сульфатных солей протекают значительно медленней; на обширных площадях близкого к поверхности залегания сульфатных пород в результате растворения гипсов и ангидритов образуются карстовые воронки, карстовые лога, пещеры; подземные, а часто и поверхностные воды на этих площадях имеют минерализацию до 1,5—2 г/л и насыщены сульфатом кальция, Одним из известных примеров гипсового карста является широко известная Кунгурская пещера в Предуралье.
Большая часть горных пород состоит из минералов, растворимость которых очень низка. Так, кальцит, являющийся главным породообразующим минералом карбонатных пород, имеет растворимость всего 13 мг/л, а произведение растворимости карбоната кальция составляет 4*10в-9; произведение растворимости большинства других карбонатов еще ниже, например, для сидерита оно составляет 2,5*10вв-11. Тем не менее карбонатные породы — один из главных источников растворенного вещества в природных водах, но их переход в раствор осуществляется с обязательным участием углекислого газа.
Практически нерастворимыми являются силикаты и алюмосиликаты, но в присутствии углекислого газа и эти породы переходят в раствор, формируя воды гидрокарбонатного состава с небольшим содержанием кремнезема, широко развитые на площадях распространения изверженных и метаморфических пород и образовавшихся в результате их разрушения терригенных отложений.
Все сульфидные минералы — практически нерастворимы. Например, произведение растворимости пирротина (FeS) 4*10в-19, сфалерита (ZnS) — 1,8*10в-26, галенита (PbS) — 1*10в-29. В присутствии же кислорода эти минералы интенсивно окисляются, привнося в подземные воды дополнительные количества серной кислоты. В результате формируются кислые сульфатные воды с повышенными концентрациями железа и других металлов, обладающие повышенной агрессивностью к карбонатным породам.
Органические вещества. Особенность нашей планеты заключается в существовании жизни — удивительного феномена, пока что не обнаруженного больше нигде во Вселенной. Существование жизни на Земле предопределило химический состав атмосферы и появление в ней высоких концентраций кислорода. Продукты жизнедеятельности и отмирания растений и животных постоянно обогащают природные воды сложным комплексом органических соединений, оказывающих огромное влияние на геохимию и гидрогеохимию всех природных систем. Выше говорилось о значении кислорода и углекислого газа в разрушении горных пород. Источником кислорода является сформировавшийся в результате процессов фотосинтеза воздух, а источником углекислого газа — прежде всего продукты окисления опадающей листвы, травяного покрова, гибнущих живых организмов. В результате этих процессов содержание углекислого газа в почвенном газе увеличивается на 1—2 порядка по сравнению с воздухом; постоянно пополняющийся биогенный углекислый газ и является главным реагентом, разрушающим карбонатные и силикатные породы и обогащающим природные воды гидрокарбонатами и кремиекислотой.
Растворенные в подземных водах органические вещества постоянно вымываются из почв, торфяников, лесного перегноя. Сложные биохимические процессы, происходящие на поверхности, приводят к значительным изменениям в составе органического вещества. Полный распад органического вещества на неорганические соединения и углекислый газ часто замедляется в связи с затрудненным доступом кислорода. В почвенном покрове под влиянием сложных биохимических процессов формируется комплекс органических веществ, который называют гумусом. Полный химический состав веществ гумуса определить трудно; в них главную роль играют гуминовые и фульвокислоты, представляющие собой сложные высокомолекулярные соединения. Обе эти группы кислот хорошо растворимы и являются активными комплексообразователями, влияющими на миграцию таких элементов, как железо, медь, цинк, уран и др.
Органическое вещество имеется также в горных породах: угле, горючих сланцах, битуминозных карбонатных и терригенных отложениях и, конечно, в нефти. Медленно протекающие процессы разрушения и перехода в растворенное состояние захороненного в горных породах органического вещества приводят к появлению в подземных водах небольших концентраций органических кислот, фенолов, смол.
В конечном счете любая природная вода содержит какое-то количество растворенных органических веществ, и суммарные их концентрации обычно составляют 2—5 мг/л в океанической воде; 10—50 мг/л в водах рек и озер и в грунтовых водах; 10—80 мг/л в водах глубоких водоносных горизонтов артезианских бассейнов. На участках развития нефтяных залежей и пород, обогащенных органическим веществом, содержание органических веществ в воде может возрастать до десятков и сотен миллиграммов на литр. В этих случаях данные по содержанию в подземной воде отдельных групп органических веществ могут служить нефтегазопоисковым признаком. Большой интерес представляют также лечебные минеральные воды, содержащие повышенные концентрации органических веществ. Самое яркое проявление таких вод — источник Нафтуся на курорте Трускавец в Прикарпатье, вода которого содержит повышенные концентрации разнообразных органических соединений.
Вода океанов и морей. Данные палеонтологических и геохимических исследований показывают, что по крайней мере к началу фанерозоя сформировался химический состав океанической воды, близкий к современному (см. табл. 6.1), а на протяжении фанерозоя наблюдались некоторые флуктуации в концентрациях основных компонентов, связанные с изменениями состава земной атмосферы, крупными эпохами галогенеза. В воде океана содержатся практически все элементы таблицы Менделеева (см. табл. 6.2).
Приведенные в табл. 6.1 значения концентраций основных компонентов в открытой части океана могут незначительно изменяться под действием ливневых атмосферных осадков, таяния льда, интенсивного испарения; эти изменения могут захватывать глубины до 100—200 м, определяя положение галоклина — границы, ниже которой колебания химического состава морской воды почти неощутимы.
Ясно, что такой огромный резервуар с удивительно устойчивым составом воды не может не оказывать влияния на формирование химического состава всех природных вод. Главным процессом, в результате которого огромные количества океанической воды попадают в недра Земли, является осадконакопление. Седиментогенные воды насыщают илы, из которых впоследствии формируются осадочные породы, поэтому влажность осадков достигает 80—120 %. В процессе литификации осадков часть поровых вод отжимается обратно в водоем, а часть — в прослои с относительно высокими фильтрационными свойствами. По мере погружения осадков и формирования крупных осадочных структур формируются и водоносные горизонты, содержащие седиментогенные воды. Начальный состав этих вод отвечает составу воды водоема: это может быть нормальная океаническая вода; может быть вода крупных лагун, представляющая собой упаренную до той или иной концентрации морскую воду (в отдельные периоды развития платформ такие лагуны занимали площади до миллионов квадратных километров); может быть морская вода, разбавленная континентальным стоком.
Таким образом, уже исходная морская вода может иметь различный химический состав. При захоронении вместе с морскими осадками растворенные в воде компоненты вступают в химические реакции с веществом илов, а при последующем литогенезе — горных пород, в результате чего химический состав водных растворов существенно изменяется. Наиболее активно такие изменения (их принято называть метаморфизацией химического состава воды) происходят в бассейнах, илы которых обогащены органическим веществом, т. е. во внутренних морях и в прибрежной (шельфовой) части открытых морей. В глубоководных океанических осадках, содержащих значительно меньшие количества органического вещества, состав иловых вод в большинстве случаев оказывается однообразным, близким к химическому составу океанической воды. При погружении на значительную глубину морские осадки попадают в зоны с повышенными температурами. Кроме того, с глубиной значительно возрастает давление. Поэтому химические реакции и здесь протекают достаточно интенсивно, а первоначальный состав морской воды продолжает изменяться.
В крупных структурах, сложенных осадочными породами, седиментогенные воды могут быть встречены до глубин 5—10, а иногда 15—20 км.
Вулканизм. Вулканическая деятельность — важный источник вещества в подземных водах тектонически активных районов. В процессе извержения вулканов и в подземных очагах из недр Земли поднимается огромное количество летучих компонентов, которые, растворяясь в природных водах, изменяют их химический состав. Так, при извержении Везувия в 1906 г. высота газового столба достигала 13 км; при извержении того же вулкана в 1929 г. выделялось более 0,5 млрд. м3 газа. В составе этих газов преобладают пары воды, соляная и плавиковая кислоты, сернистый газ, углекислый газ, водород, сероводород. Большая часть выделяющихся летучих компонентов попадает в воздух и влияет на формирование химического состава атмосферных вод, т. е. на гидрогеохимию подземных вод влияет косвенно. Часть летучих компонентов растворяется в подземных водах при своем движении наверх, формируя в районах вулканических очагов специфические термальные воды (фумаролы, сольфатары, парогидротермы).
Непосредственно в кратерах вулканов могут формироваться кислые воды с рН < 2 и минерализацией до 50—60 г/л, представляющие собой горячие растворы соляной и серной кислот, активно растворяющие вмещающие силикатные породы и породы, обогащенные железом, алюминием и другими металлами. На расстоянии от очагов (до десятков километров) формируются парогидротермы, имеющие обычно хлоридный и сульфатный состав, минерализация которых обычно не превышает 3—5 г/л.

title-icon Подобные новости