Химический состав подземных вод


Химический состав подземных вод - это совокупность содержащихся в воде растворенных минеральных и органических соединений, за исключением тех, из которых состоит живое вещество. Факторы и процессы формирования химического состава подземных вод рассмотрены в § 5.2.
Классификация химических веществ природных вод. Химические вещества в составе природных вод условно делят на следующие группы. Растворенные минеральные вещества, которые представлены макрокомпонентами состава подземных вод. Главными ионами в водах являются анионы Cl-, SO^-, HCO-, CO2-; катионы Na+, Mg2+, Ca2+, K+, а также кремнекислота H2SiO3 (присутствует в подземных водах преимущественно в молекулярной форме), которые определяют химический тип вод.
Массовая концентрация главных ионов в весьма пресных водах составляет несколько миллиграммов на 1 л, в рассолах же достигает нескольких сотен промилле. Растворенные газы - O2, N2, H2S, CO2, CH4, NH3, He, Rn, Ne, Ar, Xe, Kr и др. Содержание растворенных газов в воде зависит от коэффициента растворимости каждого газа, температуры, давления и минерализации воды. Наименьшей растворимостью в воде обладает He, а наибольшей H2S. С ростом температуры до 80-90 °С растворимость газа уменьшается, но при дальнейшем ее повышении увеличивается. Большое влияние на растворимость газов оказывает давление. По закону Генри весовое количество газа, растворенного в данном объеме жидкости, прямо пропорционально давлению газа (или парциальному давлению в смеси газов). Растворимость газов значительно снижается с ростом минерализации. В большинстве случаев по весу преобладают один-два, реже три газа. В геохимическом отношении наиболее важны O2, CO2 и H2S.
Интегральное воздействие перечисленных факторов определяет состав и количество газов в гидрогеологическом разрезе. В зоне интенсивного водообмена преобладают азот и кислород при суммарном содержании от 0,015 до 0,1 дм3/дм3, глубже кислород исчезает, а в водах помимо азота появляются сероводород и углекислота. В самых глубоких частях разреза артезианских бассейнов более всего метана и тяжелых углеводородов. Эта схема не является всеобъемлющей. Иногда биогенный сероводород может в значительных количествах присутствовать в грунтовых водах. В области генерации метаморфогенной углекислоты, например в районе Кавказских Минеральных Вод, она вместе с разгружающимися подземными водами пронизывает весь разрез, а в Западно-Сибирском артезианском бассейне ею насыщены воды, залегающие непосредственно на фундаменте.
Кислород в количестве 0,2 дм3/дм3 обнаружен в рассолах Припятского бассейна на глубине нескольких тысяч метров. Его генезис здесь связан с процессами радиолиза воды. Радон является «азональным» газом как в плане, так и в разрезе. Как правило, распространение его в водах определяется положением в разрезе кислых изверженных пород, поэтому он встречается как в грунтовых, так и в глубоких водах. Биогенные вещества - соединения азота, фосфора, железа и кремния. Наиболее важными источниками биогенных веществ являются внутриводоемные процессы и поступление с речным стоком, атмосферными осадками, промышленными, хозяйственно-бытовыми и сельскохозяйственными сточными водами. Органические вещества (природное водорастворенное органическое вещество (ВРОВ)) - разнообразные органические соединения, относящиеся к органическим кислотам, сложным эфирам, фенолам, гумусовым веществам, карбоновым кислотам, азотсодержащим соединениям (белки, аминокислоты). Органические соединения, несмотря на разнообразие их форм, состоят в основном из углерода, кислорода и водорода (98,5% по массе). Весовое количество разнообразнейших по составу, строению и размерам молекул ВРОВ, содержащихся в подземных водах, обычно характеризуют величиной содержания их основного элемента - Сорг.
Косвенной характеристикой содержания ВРОВ в подземных водах является величина окисляемости, под которой понимают содержание ВРОВ, способных окисляться кислородом. Она выражается миллиграммами кислорода в 1 дм3 и характеризуется названием реагента-окислителя: бихроматная, перманганатная и др. Наиболее полное окисление ВРОВ достигается сильным окислителем - бихроматом калия в сернокислой среде и характеризует такой показатель, как химическое потребление кислорода (ХПК). 25-50% от суммы ВРОВ составляет так называемая перманганатная окисляемость, проще определяемая аналитически и поэтому чаще применяемая при массовом гидрогеохимическом опробовании.
Соотношение различных органических веществ в подземных водах и их количество зависят от их генезиса и условий залегания. Максимальное абсолютное содержание органических веществ (Со г до 400 мг/дм3 и более) наблюдается в подземных водах нефтяных и особенно газоконденсатных (более 3000 мг/дм3) месторождений, причем они представлены преимущественно низкомолекулярными жирными кислотами (уксусной, муравьиной, масляной и др.). Для большинства же подземных вод, не связанных с нефтяными месторождениями, характерны низкие абсолютные содержания С - единицы и первые десятки миллиграммов в 1 дм3. В грунтовых водах преобладают гумусовые вещества, смолы, низкомолекулярные жирные кислоты. Содержание их в среднем около 35 мг/дм3 для гумидных областей и 25 мг/дм3 для аридных.
Разнообразие ВРОВ обусловлено как составом органических веществ, поступающих из пород в воду без каких-либо преобразований, так и множеством разнообразных гидрогеохимических и гидробиохимических процессов в системе «подземная вода - водовмещающая порода». Основные процессы трансформации состава ВРОВ связаны прежде всего с его окислением гетеротрофными (т.е. нуждающимися в органическом веществе для своей жизнедеятельности) микроорганизмами подземных вод, а в зоне высоких давлений и температур - с процессами его химического окисления элементами с переменной валентностью. Микроэлементы - все металлы, кроме главных ионов, а также некоторые другие (например, радиоактивные - Ra, U, Rn, Th), содержащиеся в водах в микроколичествах, обычно до сотен мкг/дм3. Микроэлементы представляют собой самую большую группу элементов химического состава природных вод, в нее входят практически все элементы периодической системы, не включенные в предыдущие четыре группы растворенных компонентов. Микрокомпоненты содержатся в водах в гораздо меньших количествах и не определяют химического типа воды. Ряд компонентов, растворенных в водах, занимают промежуточное положение между макро- и микрокомпонентами. Их называют мезокомпонентами. Это H+, NH+, NO-, NO2, Fe2+, Fe3+, H3PO4 (иногда Br, I, F, Sr, Al). В некоторых типах вод они могут приобретать первостепенное значение. Загрязняющие вещества - нефтепродукты, фенолы, пестициды, СПАВ и др.
Живое вещество подземных вод. Живое вещество подземных вод представлено преимущественно микроорганизмами животного и растительного происхождения размером обычно не более 1 мкм, среди которых преобладают бактерии. Бактерия, как правило, состоит из одной клетки с твердой оболочкой и имеет более или менее постоянную форму: сферическую, палочковидную, извитую. Клетка на 75-85% состоит из воды.
Среди бактерий есть аэробные виды, которые могут существовать и развиваться только в присутствии кислорода, и анаэробные - развивающиеся в бескислородной среде. Существуют виды, способные развиваться при ограниченном доступе кислорода, так называемые факультативные анаэробы.
По способу получения энергии для осуществления обмена веществ все микроорганизмы делятся на две крупные группы: фототрофы, использующие энергию солнечной радиации, и хемотрофы, источником энергии для которых служат различные химические соединения. Микроорганизмы горных пород и почв, так называемые литотрофные, в подавляющем большинстве являются хемотрофами.
По типу источника питания выделяют гетеротрофы, нуждающиеся в готовых органических веществах, и автотрофы, способные усваивать непосредственно из минеральных веществ углерод (из СО2), водород (из воды), H2S, NH3 и др. Существуют также бактерии со смешанным типом питания.
Среди бактерий есть как подвижные, так и прикрепляющиеся к субстрату формы. Перемещение бактерий чаще всего осуществляется с помощью жгутиков, расположенных полярно или в различных частях клетки, а также (очень редко) ползанием. Размножаются бактерии обычно путем деления. Некоторые из бактерий в неблагоприятных условиях способны образовывать споры - покоящиеся формы клеток с сильно заторможенными процессами жизнедеятельности.
В изучении микрофлоры подземных вод существуют два исторически сложившихся направления, различных по задачам и содержанию исследований: исследование естественной литотрофной микрофлоры; санитарная оценка воды, используемой для питьевого и хозяйственного водоснабжения.
Литотрофная микрофлора в подземных водах исследуется с целью получения общего спектра микроорганизмов для прогноза возможных биохимических процессов, а также - по соответствующим конкретным видам бактерий - в связи с поисками нефтяных, газовых и рудных месторождений.
Микроорганизмы различаются по способности существовать и развиваться в различных температурных условиях. Жизнедеятельная микрофлора обнаружена даже в криопэгах - переохлажденных рассолах Якутского артезианского бассейна, имеющих отрицательную температуру. Есть сведения о наличии бактерий в перегретых водах. Для каждого вида бактерий существует интервал температур, в пределах которого этот род может существовать.
При крайних значениях температур бактерии существуют в угнетенном состоянии, а наибольшая активность их и размножение наблюдаются в пределах определенного температурного оптимума в центральной части интервала.
Наиболее распространенными и важными в гидрогеохимическом отношении группами литотрофных микроорганизмов являются: окисляющие соединения серы (тионовые, серобактерии), восстанавливающие соединения серы (сульфатредуци- рующие), метанобразующие и углеводородокисляющие, нитрифицирующие и денитрифицирующие, железобактерии.
Санитарная оценка и контроль качества питьевых вод на наличие болезнетворных бактерий производятся санитарно-эпидемиологическими станциями. Наиболее распространенным и легко определяемым показателем бактериального загрязнения питьевой воды является кишечная палочка, которая часто сопутствует различным патогенным микроорганизмам. Степень зараженности ею воды оценивается специальными показателями. Это так называемый колититр - объем воды (мл), который приходится на одну кишечную палочку, и колиин- декс - количество кишечных палочек в 1 дм3 воды. По ГОСТам, определяющим в том числе и санитарное состояние питьевой воды, последняя должна иметь колититр не менее 300 и коли- индекс не более 3. При возникновении эпидемических очагов санитарно-эпидемиологические станции проводят анализ питьевых вод на наличие возбудителей соответствующих заболеваний: сальмонеллеза, холеры и др.
Методика бактериологического анализа воды для оценки ее санитарного состояния также определена соответствующими ГОСТами. Обычно применяются методы прямого счета бактерий на мембранных фильтрах. При исследовании микрофлоры отбор проб производят в стерильную посуду.
Интегральные характеристики общего количества вещества в подземных водах. Интегральными характеристиками общего количества вещества в подземных водах являются расчетные величины: минерализация (общая, или суммарная, минерализация, степень минерализации, сумма ионов, сухой остаток), водородный показатель (рН), окислительно-восстановительный потенциал (ОВП).
Минерализация (г/дм3, мг/дм3, г/кг, мг/кг) - суммарная масса растворенных твердых минеральных веществ в единице объема или массы воды - вычисляется суммированием весовых количеств всех веществ, определенных при химическом анализе. Различают величину (степень) минерализации и характер минерализации. Величина минерализации измеряется экспериментально найденным сухим (плотным) остатком, суммой ионов, суммой минеральных веществ (сумма ионов и недиссоциированных веществ SiO2, Fe2O3 и т.д.), вычисленным сухим остатком (то же, что сумма ионов, но суммируется лишь половина количества гидрокарбонатного иона). Характер минерализации определяется химическим типом воды (см. § 9.3).
Сумма ионов (?и) - арифметическая сумма всех содержащихся в исследуемой воде ионов (мг/л, г/л), концентрация которых больше 0,1 мг/л.
Сухой остаток - масса нелетучих (при 110 или 180 °С) минеральных и органических соединений, отнесенная к единице объема или (для рассолов) массы воды - определяется взвешиванием остатка, полученного при выпаривании определенного объема воды и последующем высушивании (мг/л, г/л - для пресных и солоноватых вод; г/л или г/кг (%о) - для рассолов).
В настоящее время среди исследователей нет единого мнения по вопросу о принципах подразделения природных вод по минерализации. Существует ряд классификаций подземных вод по величине минерализации (О.А. Алекин, В.И. Вернадский, М.С. Гуревич, И.К. Зайцев, Е.В. Пиннекер, Н.И. Толстихин, А.В. Щербаков и др.). Граничные значения степени минерализации вод обосновываются либо с теоретических позиций, либо на основании региональных исследований, либо с учетом практического значения воды. Общепринятым является только значение минерализации, характеризующее границу пресных вод, - 1 г/л; оно присутствует во всех классификациях. Разошлись мнения по вопросу об одном из весьма важных рубежей - между рассолами и солеными водами: В.И. Вернадский считал таковым 50%, М. Г. Валяшко, И. Е. Зайцев - 35%.
В соответствии с ГОСТом природные воды по минерализации делятся на следующие группы (г/кг): пресные - до 1, солоноватые - 1-25, соленые - 25-50, рассолы - более 50.
В свою очередь, в категории пресных вод могут быть выделены подгруппы (г/кг): например, по А.В. Щербакову, ультрапресные (менее 0,1), умеренно пресные (0,1-0,5) и нормально пресные (0,5-1), а в категории рассолов, по Е.В. Пин- некеру, слабые (35-150), крепкие (150-320), весьма крепкие (320-500) и предельно насыщенные (более 500).
Примером выделения подгрупп в пресных и соленых водах на основании региональных исследований и использования природных вод в практических целях является дробная классификация Н.И. Толстихина. К сверхпресным водам, по Толсти- хину, относятся снег и льды Антарктиды; к весьма пресным - атмосферные осадки; к очень пресным - вода озер Байкал, Ладожского, грунтовые воды тундры, высоких гор; к особо пресным - грунтовые воды лесов, средних гор; умеренно пресным - грунтовые воды лесостепи, низких гор; к пресноватым - грунтовые воды степи. Соленые воды разбиты на подгруппы по следующим признакам: слабосолоноватые - питьевые по необходимости, минеральные питьевые; среднесолоноватые - водопойные; сильносолоноватые - водопойные по необходимости; слабосоленые - нижняя граница (25%) обоснована тем, что при данной минерализации температура замерзания и температура максимальной плотности равны между собой; уме

ренно соленые - вода опресненных морей; нормально соленые - вода Мирового океана. В рассолах выделена подгруппа крепкосоленых вод, или очень слабых рассолов, соответствующая минерализация воды некоторых осоленнных морей аридных областей. Следует отметить, что границы подгрупп в классификации Толстихина выделены несколько условно. Исходя из конкретных практических целей, можно использовать любую классификацию природных вод по минерализации.
Водородный показатель (pH) дает представление об общем щелочно-кислотном состоянии воды и, как и минерализация, является одной из ее важнейших интегральных характеристик. Водородный показатель представляет собой десятичный логарифм концентрации (или активности) водородных ионов, взятых с обратным знаком:

Величины pH подземных вод изменяются в широком диапазоне - от менее 0 до 2-3,5 в ультракислых водах областей современного вулканизма и до 9-12,5 в некоторых водах, связанных с ультраосновными породами, в содовых и сероводородсодержащих рассолах.
Обычные величины pH составляют: для грунтовых вод 6,47,5, для артезианских 7,3-8,5. У питьевой воды pH должно находиться в пределах 6,0-9,0.
Окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) - Eh воды (измеряется в вольтах (В) или милливольтах (мВ)) характеризует соотношение окисленных и восстановленных форм всех содержащихся в ней элементов переменной валентности. Из таких элементов для химического состава подземных вод наибольшее значение имеют сера (-2, +2, +4, +6), железо (+2, +3), азот (-3, +3, +5), марганец (+2, +3, +4), фосфор (+3, +5) и др.
Поскольку экспериментальное определение абсолютных величин потенциалов систем конкретных элементов связано с определенными сложностями, количественная оценка ОВП в каждом конкретном случае проводится относительно нормального (стандартного) потенциала. Последний представляет собой разность между потенциалами данной и стандартной (водородной системы) реакций. Величины его приводятся в справочниках. Таким образом, ОВП всегда величина относительная.
Величины ОВП систем элементов, замеренные в стандартных условиях и превышающие значение нормального потенциала, считаются положительными, меньшие - отрицательными. Это не означает, что в системах с положительными значениями ОВП происходит только окисление, а с отрицательными - только восстановление. Каждая из них может оказаться как окислительной, так и восстановительной в зависимости от того, по отношению к какой системе ее рассматривать.
Основными потенциалзадающими системами подземных вод являются системы кислорода, серы и в меньшей степени железа, азота, органических веществ.
Значения ОВП подземных вод изменяются в широком диапазоне (от -0,5 до +0,7 В). Поверхностные и грунтовые воды характеризуются величинами Eh от +0,15 до +0,7 В, подземные воды глубоких частей артезианских бассейнов - от 0 до -0,5 В. Низкие величины наблюдаются в водах нефтяных месторождений, минимальные (от -0,6 до -0,7 В) - в сильнощелочных рассолах в гипсах, максимальные (до +0,86 В при рН lt; 2) обнаружены в рудничных водах при активной деятельности железобактерий (данные Л.Г. Баас-Бекинга и др.).
Величины ОВП обычно уменьшаются с глубиной, но в некоторых условиях (участки разгрузки подземных вод, болота) отрицательные величины ОВП наблюдаются и на дневной поверхности.
Важнейшее значение и наибольшую информативность в гидрогеохимии имеет совместная интерпретация данных по щелочно-кислотным и окислительно-восстановительным свойствам подземных вод. Большое распространение получили так называемые Eh-рН-диаграммы, позволяющие получить наглядную картину возможных равновесий и миграционных форм в системах элементов переменной валентности.
<< | >>
Источник: Ю.А. Гледко. Гидрогеология. 2012

Еще по теме Химический состав подземных вод:

  1. § 5. ИСТОЧНИКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
  2. § 4. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
  3. § 8. ОСАДКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
  4. ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
  5. § 6. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЗЕМНОЙ КОРЫ II ЗЕМЛИ
  6. 84. ПОНЯТИЕ И СОСТАВ ВОДНОГО ФОНДА. ПРАВОВОЙ РЕЖИМ ВОД И ЗЕМЕЛЬ ВОДНОГО ФОНДА
  7. Химическое загрязнение
  8. 4.4. ТЕРРИТОРИАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ХИМИЧЕСКОГО И ЛЕСНОГО КОМПЛЕКСОВ
  9. Открытие подземного пресного моря
  10. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОД (ст. 250 УК РФ).
  11. 87. ОХРАНА ВОД И ЗЕМЕЛЬ ВОДНОГО ФОНДА. ВОДООХРАННЫЕ ЗОНЫ
  12. Посреди вод
  13. Древляне и брачные культы вод
  14. Промышленная классификация вод и систем водоснабжения
  15. ГЛАВА ДВАДЦАТЬ ЧЕТВЕРТАЯ ЗА ГРАНЬЮ СИНИХ ВОД
  16. § 3. Экологические преступления в сфере уголовно-правовой охраны вод
  17. 85. УПРАВЛЕНИЕ ВОДНЫМ ФОНДОМ. КОНТРОЛЬ ЗА ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ И ОХРАНОЙ ВОД И ЗЕМЕЛЬ ВОДНОГО ФОНДА
  18. 1. От битвы у Синих Вод к союзу с Москвой и разгрому полчищ Мамая на Куликовом поле
  19. 6.2.1.3. Состав и размещение оборотных средств
  20. I Состав преступления и диспозиция