title-icon Статьи о ремонте
title-icon
» » Основные факторы и процессы формирования химического состава подземных вод

Основные факторы и процессы формирования химического состава подземных вод

Природные воды сформировались и формируются в результате сложного взаимодействия геологических, климатических, физико-химических и других предпосылок. Чтобы ясно разбираться в том, что же является главной причиной массопереноса, формирующего тот или иной химический состав воды, понять, как этот состав изменится, если изменятся условия, его породившие, нужно четко отличать процессы и факторы формирования химического состава. Факторы — это та природная обстановка, которая способствует формированию химического состава воды. Эти факторы провоцируют и поддерживают целый комплекс процессов, являющихся непосредственными механизмами, формирующими состав воды. Могут быть выделены физико-географические, геологические, физико-химические, физические, биологические, искусственные факторы. Рассмотрим их по отдельности.
Физико-географические факторы. Ясно, что общая природная ситуация влияет на химический состав природных вод. Скажем, солончаки и связанные с ними соленые воды и рассолы известны только в засушливых областях, воды с очень низкой минерализацией встречаются либо в горах, либо там, где тают ледники и снег, либо в прохладных областях с сильно переувлажненным климатом. Более точно эти связи установить часто бывает трудно, но они всегда есть и очень важны.
Главным элементом физико-географических условий, влияющим на формирование химического состава природных вод, является климат.
Атмосферные осадки, выпадающие на поверхность Земли, регулируют запасы поверхностных и грунтовых вод. При значительном превышении количества выпадающих атмосферных осадков над испарением (область избыточного увлажнения) химический состав поверхностных и грунтовых вод определяется прежде всего составом атмосферных осадков и процессами растворения горных пород. По мере повышения среднегодовой температуры все большее значение приобретает испарение. Площади, на которых количество испаряющейся влаги превышает количество выпадающих атмосферных осадков, составляют область континентального засолонения. Здесь в химическом составе поверхностных и грунтовых вод все большее значение приобретают хорошо растворимые соли, сначала сульфатные, а затем и хлоридные. В реках, озерах, прудах и водоносных горизонтах грунтовых вод появляются часто соленые воды, а на участках развития солончаков — рассолы.
Важным климатическим параметром, влияющим на формирование химического состава природных вод, являются ветры. На морских побережьях в зависимости от направления и интенсивности ветра меняется химический состав атмосферных осадков, а следовательно, и поверхностных и грунтовых вод. Ветры могут уносить на сотни и даже тысячи километров морские соли, соляную пыль с солончаков и усыхающих соленых озер, вулканические дымы, дымы промышленных предприятий. В засушливых областях ветер может существенно изменять и соотношение главных ионов в природных водах. При полном усыхании соляных озер на поверхности образуется соляная корка, обогащенная хлоридами и сульфатами магния и сульфатами натрия, которая разрушается и выносится ветром. Оставшиеся в донных отложениях хлориды натрия в дождливые годы растворяются, но озерная вода содержит уже меньше «горьких» солей. Похожие процессы протекают и на поверхности солончаков, очищая залегающие под ними воды от хлоридов магния и сульфатов магния и натрия.
Следующим важным физико-географическим фактором является гидрография. Чем гуще речная сеть, тем интенсивней водообмен в верхних водоносных горизонтах; поэтому солей в грунтовых водах и питаемой ими реке становится меньше. Ho глубоко врезанная речная сеть может вскрыть водоносные горизонты напорных вод с повышенной минерализацией — и ее роль может оказаться обратной: в реку начнет поступать вода повышенной минерализации. Так, в р. Шелонь, впадающей в оз. Ильмень, в результате разгрузки артезианских вод минерализация воды в межень может достигать 1 г/л, а гидрокарбонатный состав сменяться хлоридным.
Исключительно велика роль речной сети как транспортирующей воды, формирующиеся на увлажненных территориях или в горах, в степи и пустыни, где эти реки становятся главным, а иногда и единственным источником пресной воды. Вблизи таких рек часто формируются водоносные горизонты пресных грунтовых вод.
Существенно влияет на химический состав природных вод рельеф местности: чем рельеф пересеченней, тем интенсивней водообмен и меньше минерализация воды; чем выше абсолютные отметки местности, тем больше общая увлажненность и соответственно меньше минерализация воды. В областях с гумидиым климатом влияние рельефа ощущается на относительно больших территориях, значение имеют общие характеристики рельефа (расчлененность, абсолютные высоты). В областях с аридным климатом, когда на формирование химического состава природных вод решающее влияние оказывает испарение, отдельные формы рельефа, регулирующие соотношение скопления влаги и ее испарения, формируют своеобразную контролируемую рельефом гидрохимическую зональность (рис. 6.2). В небольших понижениях (так называемых степных блюдцах), площадь которых может не превышать сотен квадратных метров, а глубина — первых десятков сантиметров, скапливается снег и дождевая вода, формирующие своеобразные купола опресненных грунтовых вод, имеющие огромное значение при организации водоснабжения степных пастбищ и поселков. Если же эрозионные врезы достигают уровня грунтовых вод, минерализация выходящих на поверхность грунтовых вод увеличивается вследствие интенсивного испарения, а на дне оврагов часто образуются солончаки (рис. 6.2,б).

Геологические факторы. Трудно переоценить значение геологических условий в формировании химического состава природных вод. Химический состав воды любого источника, любой реки или озера в той или иной степени определяется геологическими условиями данной местности. Прежде всего химический состав природных вод предопределяется литологией горных пород. Об этом уже говорилось выше, при описании основных источников вещества, поступающего в природные воды.
Влияние тектоники на химический состав природных вод может быть очень многообразным. Тектонические нарушения часто служат теми путями, по которым подземные воды могут подниматься на поверхность или же перетекать из одного водоносного горизонта в другой. В результате на поверхности образуются источники с водой, характерной для глубоких водоносных горизонтов. Так, на Русской платформе с разломными нарушениями связаны многие соленые источники (рис. 6.3); контролируются тектоникой углекислые источники, азотные термальные источники, радоновые источники. Роль тектонических нарушений может быть и иной: часто зоны разломов оказываются залеченными вторичным материалом — плотной брекчией, глиной, и тогда эти зоны задерживают поток подземных вод. Такие подземные «Плотины» называют барражами. Роль тектоники в формировании химического состава подземных вод может быть и более трудно улавливаемой. Медленные поднятия и опускания территорий приводят к перераспределению напоров, а следовательно, подземных вод и к формированию новой гидрогеохимической обстановки.
Существенна и роль магматизма в формировании химического состава природных вод. Непосредственно в зоне вулканических очагов в подземных и поверхностных водах растворяются летучие компоненты, выносимые из недр Земли. В жерлах вулканов образуются озера, представляющие собой кипящую смесь соляной и серной кислоты, концентрация которых иногда достигает 50—60 г/л. Вокруг таких озер исчезает растительность, испарения с их поверхности опасны для животных. Такие вулканические озера-источники известны, например, в кратерах вулканов Эбеко, Менделеева, Головнина на Курильских островах. Ho роль вулканизма в формировании химического состава природных вод значительно шире и не ограничивается непосредственно зоной вулканических очагов. В гл. 2 и 3 была показана огромная роль тектоносферы и содержащейся в ней воды в протекании всех геологических процессов в недрах нашей планеты. При выходе же на поверхность вулканические газы уносятся ветром на сотни и даже тысячи километров от вулканов; извержения вулканов на дне океана обогащают металлами океаническую воду и илы, способствуя формированию субмаринных рудопроявлений.

Физико-химические факторы. Здесь имеется в виду общая физико-химическая обстановка, характеризуемая прежде всего щелочно-кислотными и окислительно-восстановительными условиями, определяющими формы нахождения элементов в жидкой и твердой фазе. В обобщенном виде эти свойства характеризуются диаграммой в координатах pH—Eh, построенной А.Н. Павловым и В.Н. Шемякиным (рис. 6.4) на основе главных щелочно-кислотных и окислительно-восстановительных равновесий, свойственных природным гидрогеохимическим системам. Наклонные линии на этой диаграмме соответствуют следующим окислительно-восстановительным реакциям:
1) граница устойчивости воды, выше и правее которой вода окисляется до кислорода

2) граница, выше и правее которой возможно окисление воды до перекиси водорода

3) граница, выше и правее которой сероводород окисляется до серной кислоты

4) граница устойчивости воды, ниже и левее которой появляется свободный водород
Основные факторы и процессы формирования химического состава подземных вод

Вертикальные линии диаграммы определяются константами диссоциации главных природных кислот:
5) равенство концентраций серной кислоты и первой ступени ее диссоциации

6) левее исчезает гидрокарбонат-ион

7) равенство концентрации иона водорода и гидроксил-иона, а также сероводорода и гидросульфид-иона

8) левее исчезает карбонат-ион

9) равенство концентраций гидрокарбонат- и карбонат-ионов

В соответствии с этими границами обстановку в полях II—VII можно назвать окислительной; VIII—XIII — нейтральной; XIV— XVIII — восстановительной. Воды в полях II, VIII, XIV — ультракислые; III, IX, XV—кислые; IV, X, XVI — слабокислые; V, XI, XVII — слабощелочные; VI, XII, XVIII — щелочные; VII, XIII — ультращелочные; I, XIX — вода неустойчива.
Такая характеристика природной физико-химической обстановки носит самый общий характер. При анализе некоторых конкретных реакций оценка характера физико-химической обстановки может оказаться иной. Так, при окислении двухвалентного железа до трехвалентного Fe2+ -> Fe3+ + е нормальный потенциал реакции E0 = 780 мВ, т. е. почти любая природная обстановка для трехвалентного железа является окислительной и только при очень высоких значениях окислительно-восстановительного потенциала в воде может появиться ион трехвалентного железа.
К физико-химическим факторам можно также отнести растворимость минералов. Хорошо растворимыми являются почти все хлоридные и сульфатные соли (рис. 6.5). Плохо растворимы карбонаты (за исключением соды и поташа) и силикаты. При анализе конкретных ситуаций растворимость того или иного минерала надо специально рассчитывать, поскольку она изменяется в зависимости от присутствия других минералов, температуры и давления. Для большинства карбонатов, силикатов, сульфидов растворению сопутствуют природные химические реакции, протекающие с участием углекислого газа, кислорода, органических соединений.
Физические факторы. Природные процессы протекают в широком интервале температур и давлений, регулирующих природные физико-химические и биологические равновесия.
Температура. Определяет структуру природных вод. Ее повышение способствует разрушению структурных связей, уменьшению вязкости и диэлектрической постоянной природных вод (см. гл. 2). От температуры зависит растворимость минералов. Так, растворимость мирабилита в интервале температур от 0 до 40 °C возрастает почти в семь раз, и именно эта его особенность в первую очередь предопределяет морфологию его залежей.
Растворимость газов с повышением температуры уменьшается (рис. 6.6). Наиболее ярко эта особенность проявляется в интервале температур от 0 до 50 °C.
Давление. В недрах Земли под действием веса горных пород и тектонических напряжений развиваются давления, достигающие десятков и даже сотен мегапаскалей. Такие высокие давления приводят к перестройке структуры воды и изменению ее вязкости (см. гл. 2). Под действием высоких давлений происходит отжим поровых вод из глин, перетекание воды из одних водоносных горизонтов в другие. Влияние давления на химический состав подземных вод сказывается и на увеличении растворяющей способности воды. Для большинства минералов этот вопрос изучен слабо. Наибольшей известностью пользуются результаты опытов В. И. Манихина, показавшего, что с повышением давления до 200—300 МПа растворимость гипса может возрастать в 6—7 раз и ангидрита в 10—15 раз.
Время. Химический состав любых природных вод постепенно изменяется на протяжении всей геологической истории развития региона. Разная степень воздействия отдельных факторов во времени нарушает равновесие гидрогеохимических систем, способствуя постоянному протеканию физико-химических процессов и непрерывному развитию гидрогеохимических полей во времени. Цикличность такого развития может быть различной. Так, ионное снижение температуры в сульфатных озерах может приводить к насыщению воды сульфатом натрия и ночной садке мирабилита. Годовая цикличность метеорологических показателей приводит к годовой цикличности состава речных и грунтовых вод: разбавлению в весенние паводки, осеннему повышению содержания сульфатов в результате смыва продуктов гумификации растений. Для крупных структур цикличность изменения химического состава подземных вод глубоких горизонтов, обусловленная тектоническим развитием региона, может измеряться многими тысячами и миллионами лет.

Биологические факторы. Появление жизни на Земле около 3,5 млрд. лет назад и последующая эволюция живой материи, приведшая к созданию кислородной атмосферы Земли, сыграли решающую роль в формировании химического состава природных вод и протекании многих геологических процессов на Земле. Выше было показано, что формирование химического состава основной массы пресных вод Земли связано с процессами разрушения карбонатных и силикатных пород под действием углекислого газа, основным источником которого являются продукты окисления отмирающего животного вещества. Поскольку и сами карбонатные породы в большинстве своем органогенные, а алюмосиликаты углерода не содержат, можно уверенно сказать, что большая часть углерода в гидрокарбонатном ионе пресных вод обязана существованию жизни на Земле, а воды эти являются биогенными по генезису химического состава. Только крупные ледники Антарктиды и Арктики не испытывают в составе замерзшей воды влияния жизни. Существованию жизни на Земле в значительной степени обязан и химический состав океанической воды: если анионный состав воды Мирового океана — результат дегазации мантии, то нейтрализация воды первичного кислого океана и формирование современного катионного состава океанической воды — результат сноса продуктов углекислотного, т. е. прежде всего биогенного, разрушения горных пород.
Огромную роль в формировании химического состава природных вод играют бактерии. Их появление на нашей планете на самых ранних стадиях возникновения жизни сразу стало заметным фактором формирования состава пород и природных вод. Почти все окислительно-восстановительные процессы протекают при участии бактерий. Разложение и минерализация отмирающего органического вещества, окисление сульфидных минералов, восстановление сульфатов, нитрификация, денитрификация, окисление соединений железа — вот те наиболее распространенные гидрогеохимические процессы, которые протекают с участием бактерий. Выделим такой глобальный процесс, как сульфатредукция, протекающий вблизи поверхности Земли (иловые отложения дна озер и морей) и особенно интенсивно в глубоких недрах Земли при взаимодействии растворенных сульфатных солей и нефтяной органики. Исследованиями микробиологов доказано, что бактерии могут существовать в значительном интервале температур. Нижнего предела, при котором бактерии остаются живыми, не выявлено, и при размораживании они приходят в активное состояние; верхний предел существования бактерий определяется температурой около 100 °C. Бактерии могут переносить любые реальные для этих температур давления, т. е. глубина их распространения достигает 3—4 км. Интересными исследованиями томских гидрогеологов обнаружено, что бактерии могут активно существовать в связанных водах глинистых пород, обусловливая интенсивное протекание в них физико-химических процессов. Биологический фактор является, таким образом, одним из важнейших регуляторов химического состава природных вод нашей планеты.
Техногенные факторы. Человеческая деятельность постепенно становится мощным фактором формирования химического состава природных вод. Гидротехническое строительство, гражданское и промышленное строительство, освоение месторождений полезных ископаемых, интенсификация сельского хозяйства, мелиоративные мероприятия, функционирование промышленных предприятий, интенсивная эксплуатация водоносных горизонтов, утилизация промышленных отходов на поверхности и в недрах Земли — все это приводит к заметному смещению природных гидрогеохимических равновесий и изменениям в химическом составе природных вод. В одних случаях эти изменения не влекут за собой вредных для человека последствий, в других — изменение химического состава природных вод ухудшает их качество и воды становятся либо непригодными для использования, либо пригодными только после очистки.
Человеческая деятельность может приводить к изменению водного баланса, влекущему заметные изменения химического состава воды. Так, интенсивная откачка подземных вод на морских побережьях значительно снижает уровень воды, часто ниже уровня моря, что приводит к подтягиванию соленой морской воды к водозаборам. Для некоторых стран, например Голландии, борьба с подтоком соленых вод к водозаборам становится одной из главных проблем при решении вопросов питьевого водоснабжения городов.
Нарушение водного баланса в подземной гидросфере в результате откачки воды для водоснабжения или же при осушении горных выработок может привести и к перераспределению водных масс различного химического состава между водоносными горизонтами — засолонению пресных подземных вод или же разубоживанию минеральных лечебных или промышленных вод. Изменяется водный баланс и в результате крупного гидротехнического и мелиоративного строительства.
Другим случаем человеческого воздействия на химический состав природных вод является попадание в природные воды вредных веществ. Такое воздействие может даже без существенного нарушения водного баланса привести к серьезным отрицательным последствиям. Так, при интенсивном использовании в сельском хозяйстве ядохимикатов в водоносные горизонты попадают пестициды, медь, свинец, мышьяк. При удобрении почв селитрами и ортофосфатами в воды вносятся соединения азота, фтор, цинк, свинец. Для густонаселенных европейских стран загрязнение природных вод нитратами стало бедствием, борьба с которым связана с большими техническими трудностями.
Столь же серьезные последствия связаны с работой промышленных предприятий. Отходы нефтеперерабатывающих, сланцеперерабатывающих предприятий при попадании в недра загрязняют водоносные горизонты нефтепродуктами, фенолами и другими органическими соединениями. Отходы сернокислотных цехов резко повышают кислотность природных вод, привносят цинк, медь, железо, свинец. На все вредные компоненты вводятся так называемые предельно допустимые концентрации, но даже если в современных условиях концентрации не достигли предельно допустимых, надо ясно представлять на будущее динамику возможных изменений химического состава и давать реальные прогнозы на годы и десятилетия вперед.
В современных условиях невозможно исключить влияние искусственных факторов на формирование химического состава природных вод. Поэтому при проектировании любого сооружения или предприятия нужно тщательно взвесить те гидрогеохимические последствия, которые могут возникнуть, когда сооружение или предприятие начнет функционировать, предусмотреть необходимые меры по охране природных вод. В отдельных случаях в результате тщательного анализа ситуации может быть принято решение о переносе предприятия на другое, менее опасное для природных вод место. Нужно помнить, что легче не допустить загрязнения природных вод, чем потом тратить огромные средства на их очистку.
Основные процессы формирования химического состава природных вод. Механизм формирования химического состава природных вод осуществляется через процессы, протекающие при постоянном взаимодействии природных вод, горных пород, газов и живого вещества. Основные процессы, формирующие состав природных вод, переводят вещество в раствор, переносят его, часто на значительные расстояния, выводят из раствора, концентрируют или разбавляют растворы, осуществляют обмен веществом между жидкой и твердой фазами. Остановимся кратко на основных процессах.
Растворение. Растворением называют переход вещества из твердой фазы в жидкую, сопровождающийся разрушением кристаллической решетки минералов. Скорость процесса растворения зависит от поступления воды к поверхности минералов, интенсивности взаимодействия воды и минерала и отвода насыщенного раствора, который осуществляется в результате движения воды и диффузии. Процесс растворения характеризуется сложной кинетикой на границе твердой и жидкой фаз, определяемой агрегатным состоянием горных пород, их пористостью, трещиноватостью, скоростью движения воды. Наиболее ярко процессы растворения проявляются при формировании соляного и гипсового карста. Изучение этих разновидностей карстовых процессов показывает, что интенсивность процессов растворения контролируется современной и древней гидрографической сетью, тектоникой, литологией и морфологией прослоев нерастворимых пород (известняков, глин, алевролитов). Эти процессы влекут за собой образование на поверхности воронок, карстовых логов, котловин и других характерных форм рельефа.
Выщелачивание. Этот геологический термин означает вынос минералов из массива горных пород, сопровождающийся обычно химическими реакциями между растворенными в воде веществами и выщелачиваемыми минералами. Выщелачивание является частью более общего геологического процесса — выветривания. Наиболее активные растворенные в воде вещества, усиливающие протекание процессов выщелачивания, кислород и углекислый газ. Ярким примером выщелачивающего действия обогащенных кислородом вод является окисление сульфидов.
Образующаяся при этих процессах серная кислота снижает pH среды и оказывает агрессивное действие на карбонатные породы:

Поэтому всю совокупность происходящих процессов часто именуют сернокислотным выветриванием или сернокислотным выщелачиванием, наиболее интенсивно протекающим в зонах окисления сульфидных месторождений и приводящим к образованию так называемых гипсовых шляп. Одновременно с процессами выщелачивания образование избытка сульфат-иона приводит к накоплению слаборастворимых сульфатных минералов — барита, целестина, англезита — и к образованию вторичных руд, обогащенных барием, цинком, свинцом.
Взаимодействие с карбонатными и силикатными породами вод, обогащенных углекислым газом, часто называют углекислотным выщелачиванием. Все карбонатные породы (кроме соды) плохо растворимы, и для перевода заметных их количеств в раствор необходим углекислый газ, переводящий карбонаты в растворимые бикарбонаты.
Выше было показано, что углекислого газа воздуха для протекания этих реакций недостаточно; главным источником углекислого газа являются продукты разложения живого вещества; в областях современного и молодого вулканизма эти процессы интенсифицируются поступающим с больших глубин метаморфогенным и вулканогенным углекислым газом.
Углекислый газ активно воздействует не только на карбонатные, но и на силикатные минералы. Наиболее ярко эти процессы проявляются при разрушении полевых шпатов. Первой стадией этих процессов является гидролиз, сопровождающийся образованием устойчивых вторичных минералов.
Повышающаяся щелочность воды нейтрализуется углекислым газом, поддерживающим неравновесность системы и длительное протекание процесса выщелачивания. Эти процессы приводят к тому, что при выщелачивании силикатных пород формируются гидрокарбонатные воды; катионный состав этих вод контролируется составом силикатных минералов.
Сорбция и ионный обмен. Под сорбцией подразумевают поглощение вещества твердой фазой. При этом поглощение поверхностью твердой фазы называют адсорбцией, а всем объемом — абсорбцией. Причиной этих процессов является электростатическое притяжение заряженными частицами вещества противоположно заряженных ионов. При химической сорбции эти процессы сопровождаются химическими реакциями, в результате которых на поверхности образуется новое вещество, затормаживающее дальнейшее протекание процесса. Физическая сорбция представляет собой обратимый процесс, сопровождающийся десорбцией вещества с поверхности. Наиболее интенсивно сорбционные процессы протекают в глинистых породах.
Разновидностью сорбционных процессов является ионный обмен (для природных систем обычно катионный), происходящий между сорбированными породой ионами и ионами солей, растворенных в природных водах. Интенсивность протекания ионного обмена лимитируется обменной емкостью пород, которая достигает максимальных значений (100—180 мг-экв./100 г) в монтмориллонитовых глинах. Наименьшей обменной емкостью (5—20 мг-экв./100 г) обладают каолинитовые глины, а для гидрослюдистых глин характерны промежуточные значения обменной емкости.
Диффузия. Диффузией называют процессы перераспределения вещества, вызванные тепловым движением молекул. В зависимости от движущей силы различают термодиффузию, бародиффузию и концентрационную диффузию, причем для природных вод главной является концентрационная диффузия, обусловливающая движение вещества под действием градиента концентраций, т. е. приводящая к выравниванию концентраций в относительно замкнутых системах. Основным уравнением, описывающим диффузионные процессы, является первый закон Фика.
Значение диффузионных процессов при формировании химического состава природных вод огромно. Они способствуют выравниванию химического состава подземных вод в глубоких водоносных горизонтах артезианских бассейнов и формированию вертикальной гидрогеохимической зональности. Изучение диффузионных процессов имеет большое значение при исследовании миграции загрязнений, формирования ореолов рассеяния металлов на рудных месторождениях и т. д.

title-icon Подобные новости