Особенности химического состава подземных вод в зависимости от условий формирования


Подземные и поверхностные воды составляют части единой системы вод нашей планеты (гидросферы). Подземная гидросфера тесно связана с поверхностной: чем ближе к поверхности, тем, как правило, более тесной является эта связь.
Грунтовые воды. Грунтовые воды в наибольшей степени связаны с поверхностными водами суши и более подвижны, чем напорные воды глубоких водоносных горизонтов.
По условиям формирования химического состава Г.Н. Каменский выделил на территории бывшего СССР грунтовые воды выщелачивания и грунтовые воды континентального засоления.
Грунтовые воды выщелачивания формируются в областях избыточного увлажнения или в областях умеренно влажных,
но характеризующихся наличием хорошо проницаемых пород, высокой динамичностью вод и активным дренажем. Общая минерализация грунтовых вод большей части этой зоны не превышает 1 г/л, она увеличивается с севера на юг от нескольких десятков миллиграммов на 1 л до 1 г/л, состав обычно HC03-Na, НСО3-Са. В южных районах зоны избыточного увлажнения могут встречаться грунтовые воды состава S04- Cl-Na, SO^Cl-Са с минерализацией более 1 г/л. Для описываемой зоны характерны повышенные концентрации органических веществ, растворенных в водах (Сорг до 35 мг/л). Это объясняется относительно низкими среднегодовыми температурами и тесной связью грунтовых вод с болотными и другими поверхностными водами, обогащенными продуктами полного разложения остатков наземной растительности. Такие воды имеют повышенную цветность и содержат в составе гумино- вые и фульвокислоты.
Грунтовые воды континентального засоления формируются в условиях аридного климата на территориях пустынь, полупустынь и сухих степей. В таких районах наблюдается значительно большее разнообразие химических типов воды. Здесь встречаются пресные, солоноватые и соленые воды - гид- рокарбонатно-сульфатные, сульфатно-хлоридные и хлорид- ные. В условиях континентального засоления происходит интенсивное испарение поверхностных вод, которые в этих районах также минерализованы. Состав водно-растворимого органического вещества обеднен, его концентрация не превышает 20-25 мг/л. В этих водах происходит более полное разложение растительных и животных остатков, попадающих в грунтовые воды с поверхностным стоком. Воды обычно бесцветны, рН превышает 7. Нередко воды обогащены Вг, В, I, F и некоторыми другими микроэлементами.
В распределении вод аридных областей по составу и минерализации большую роль играют такие факторы, как рельеф и состав водоносных пород. В.С. Самариной при изучении Прикаспийской низменности было установлено существенное различие в составе грунтовых вод в пределах отрицательных форм рельефа: падин, балок, речных долин и соров. Например, под падинами (понижениями площадью до нескольких сотен квадратных метров и глубиной до 1 м), через которые происходит питание грунтовых вод, зеркало вод располагается выше окружающих участков, и пресные воды в таких понижениях занимают центральные, наиболее углубленные части. Минерализация вод (до 35 г/л) нарастает к периферии по мере углубления пластов. Меняется и состав вод - от гидрокарбонатного через сульфатный к хлоридному.
В сорах (более глубоких понижениях), служащих часто местным базисом эрозии для грунтовых вод примыкающих участков, наоборот, в центре углубления образуются наиболее концентрированные воды (с минерализацией до 200 г/л). По вертикали вниз и к периферии минерализация вод уменьшается до 35 г/л и менее. На участках образования и скопления рассолов распространены солончаки, имеющие состав Cl-S04-Na или s04-Cl-Na.
В связи с тем что грунтовые воды залегают близко к поверхности Земли, они легко загрязняются. Основными видами загрязнения являются коммунально-бытовое, промышленное, химическое и сельскохозяйственное (удобрения, пестициды, отходы животноводческих комплексов), а также радиоактивное. Признаком загрязнения грунтовых вод служит появление в них специфических ионов и компонентов. Например, присутствие в повышенных количествах нитрит-иона и иона аммония может свидетельствовать о проникновении бытовых и фекальных стоков; наличие хлорорганических и фосфорорганических соединений - о фильтрации с пестицидов, обнаружение в воде трития и других радиоактивных веществ может указывать на радиоактивное загрязнение и т.д.
Загрязнение подземных вод сопровождается различными геохимическими последствиями - изменениями миграционных форм химических элементов, концентраций элементов, окислительно-восстановительных условий, а также возникновением новых типов вод, в том числе техногенных гидрогеохимических провинций нитратных и аммонийных грунтовых вод в сельскохозяйственных регионах. Изменение миграционных форм элементов может обусловливать приобретение ими новых биохимических свойств. В частности, при снижении Eh подземных вод менее токсичные NO3, As (V) трансформируются в более токсичные формы NH4, As (III). Особая потенциальная опасность связана с развитием процессов метилирования многих тяжелых металлов и накоплением в подземных водах, например, метилированных соединений ртути (CH3)2Hg, мышьяка (CH3)4As, свинца (СН3)2РЬ, олова (CH3)4Sn и др.
В настоящее время в загрязненных подземных водах количество наименований обнаруживаемых органических веществ достигло нескольких десятков тысяч; многие из них активно вступают в процессы комплексообразования. Важной проблемой охраны подземных вод от загрязнения является исследование условий, способных геохимически противостоять поступающим загрязняющим веществам и переводить их в твердую фазу. Основой буферности подземных вод является их способность сохранять оптимальные Eh-рН-состояния, которые препятствуют накоплению в них компонентов антропогенного происхождения. Как следует из результатов специальных гидрогеохимических исследований, подземные воды могут обладать высокой буферностью в отношении многих неорганических компонентов, за исключением минеральных соединений азота, и значительно меньшей - в отношении органических веществ.
Источники поступления загрязняющих веществ в грунтовые воды должны быть ликвидированы или изолированы (см. § 15.2).
Напорные воды. Напорные воды, так же как и грунтовые, характеризуются разнообразием химического состава. Обычно выделяют воды пресные (с минерализацией до 1%о), солоноватые (до 10%), соленые (до 35%) и рассолы (более 35%). По некоторым классификациям к рассолам относятся воды с минерализацией более 50%. Диапазон изменения минерализации вод напорных горизонтов весьма велик: от нескольких долей грамма до 650 г на 1 л (см. § 9.1).
Пресные воды встречаются в области питания, где происходит инфильтрация вод поверхностного стока в пласты, а также в зоне создания напора, если в этой зоне происходит активный водообмен (зона активного водообмена), т.е. движение вод от области питания к области разгрузки. По составу эти воды обычно относятся к типам НСО3-Са, НСО3^О4-Са, SО4-НСО3-Са и близки к составу поверхностных вод (речных, озерных). В пресных водах нередко присутствуют микроэлементы (Sr, Li, Mn, Fe, Si, Al, Ca, Ni и др.), причем характерным является наличие широкого спектра этих элементов при их низкой концентрации (единицы и доли миллиграмма на литр).
Могут встречаться радиоактивные элементы (уран, радий) и радиоактивный газ радон, образующийся при распаде радия.
Органическое вещество пресных напорных вод по видовому составу и концентрации близко к таковому в грунтовых водах. Воды напорных пластов в меньшей степени подвержены загрязнению с поверхности и вследствие этого содержат меньше бактерий. Общая концентрация С в пресных водах колеблется в пределах 15-30 мг/л.
В пресных напорных водах растворены газы атмосферного происхождения (О2, N2, СО2, Н2, благородные газы и др.), в подчиненном отношении находятся другие газы (H2S, СН4), которые присутствуют не повсеместно.
Солоноватые воды более разнообразны по химическому составу. Они могут относиться к гидрокарбонатному, сульфатному, реже к хлоридному классу. Разнообразен и катионный состав: могут преобладать Са2+, Na2+ и Mg2+. В водонапорных бассейнах солоноватые воды залегают обычно в зоне замедленного водообмена (зона затрудненной циркуляции). Они встречаются на различных глубинах (например, могут проникнуть по тектоническим нарушениям) в зависимости от геологического строения региона. Пространственно очень часто солоноватые воды занимают промежуточное положение между пресными и солеными. В газовом составе этих вод по сравнению с пресными уменьшается доля компонентов атмосферного происхождения и увеличивается содержание газов глубинного и микробиологического генезиса (СО2, H2S). Вблизи нефтяных и газовых залежей солоноватые воды могут содержать в повышенных количествах СН4, С2Н6 и другие углеводородные компоненты.
Соленые воды и рассолы занимают основной объем подземной гидросферы. По генезису это воды высокой минерализации, преимущественно седиментационные и смешанные. Реже они представляют собой инфильтрационные рассолы выщелачивания легкорастворимых солей (NaCl, КО, СаС12 и др.). Эти соли могут присутствовать в недрах в виде пропластков, мощных пластов, штоков или находиться в рассеянном виде. При формировании рассолов исходной может быть как морская захороненная вода, так и инфильтрационная или смешанная. Соленые воды и рассолы занимают в подземной гидросфере зону наиболее затрудненного водообмена (зона застойного водного режима). Здесь водообмен совершается в течение миллионов лет, а скорости движения вод исчисляются сантиметрами и миллиметрами в год. Подземный сток в этой зоне проявляется лишь в масштабах геологического времени. Воды высокой и сверхвысокой минерализации (иногда до 500600 г/л) характерны для закрытых гидрогеологических структур, лишенных связи с областью питания и имеющих весьма затрудненную разгрузку, в том числе и рассеянную через водоупорные пласты.

В анионном составе соленых вод и рассолов обычно преобладает С1-, в катионном - Na+ и Са2+. В подчиненном отношении находятся ионы SO2-, НСО-, СО^-, Mg2+, К+. Исключение составляют рассолы с высокой соленостью (более 300%о). В них кальций и магний преобладают над натрием.
Хлоридные воды высокой минерализации встречаются не только в геологических структурах, где распространены хемогенные осадки (каменная соль, ангидриты, гипсы и др.), но и в структурах, лишенных заметных скоплений солей. Они обнаружены в Ангаро-Ленском, Иркутском, Прикаспийском, Волго-Уральском, Предкавказском, Днепровско-Донецком и других водонапорных бассейнах. Обычно подземные рассолы тяготеют к наиболее погруженным частям бассейнов (глубины 5 тыс. м). Несколько реже они встречаются и на меньших глубинах.
В земной коре к настоящему времени вскрыты напорные воды на глубинах 7-9 км, где давление превышает (10-13) х X 107 Па, а температура 350 °С. Уникальная Кольская сверхглубокая скважина показала наличие соленых вод и рассолов на глубинах до 12 км.
В качестве примера, характеризующего максимально минерализованную подземную воду из всех вскрытых в настоящее время в недрах Земли скважин, можно привести рассолы в скважине Бей-Сити (Северо-Американская платформа):



В составе соленых вод и рассолов нередко содержатся разнообразные микроэлементы: наиболее часто встречаются бром, иод, литий, калий, рубидий, цезий, медь, цинк, стронций, радий, барий и др. Повышенные концентрации микроэлементов в водах могут возникать иногда под влиянием скоплений полезных ископаемых. Так, вблизи рудных месторождений нередко формируются водные ореолы рассеяния некоторых элементов, находящихся в рудах (Pb, Си, Li, Zn, V и др.).
Для соленых вод и рассолов глубоких водоносных горизонтов характерно наличие определенных газов, формирующихся под действием биохимических, термокаталитических процессов, радиоактивного распада, а также поступающих из атмосферы и мантии.
В водах закрытых гидрогеологических структур превалируют метан (реже этан, пропан), сероводород, углекислый газ, азот. Как правило, в меньшем количестве находятся благородные газы, в основном гелий и аргон, а также водород и радон. Метан и другие углеводородные газы образуются в основном в результате биохимических и химических термокаталитических процессов преобразования органического вещества, рассеянного в горных породах. Сероводород в водах глубоких горизонтов может быть генетически различным. На небольших глубинах при температурах менее 100 °С он преимущественно биохимического происхождения. В условиях повышенных температур, где биохимические процессы затухают, H2S образуется за счет термокаталитического преобразования серосодержащих органических и неорганических веществ. Различна и геохимическая история диоксида углерода, который может образоваться как биохимическим, так и термокаталитическим путем. Азот имеет преимущественно биохимический генезис. Инертные газы и водород поступают в основном с больших глубин по зонам тектонических нарушений.
Соленые воды и рассолы исключительно разнообразны по набору макро- и микрокомпонентов, общей минерализации, составу растворенных газов. Это разнообразие обусловлено влиянием природных факторов, действовавших в течение длительного времени при формировании химического состава этих вод.
Проблема формирования хлоридных соленых вод и рассолов представляет не только теоретический, но и практический интерес. Эти воды являются источником получения в промышленных масштабах многих элементов (брома, иода, лития и др.). Между тем генезис вод глубоких горизонтов является весьма сложным процессом, вследствие чего вопрос о происхождении хлоридных вод продолжает оставаться наиболее дискуссионным в гидрохимии.
Хлоридные воды имеют две генетические модификации: хлоридные воды, а иногда и рассолы, со слабовыраженным преобладанием С1- над суммой Na+ + Mg2+, с незначительным содержанием Са2+ и микрокомпонентов; хлоридные воды и рассолы преимущественно кальциевые или натриево-кальциевые, содержащие высокие концентрации брома и других микрокомпонентов.
Происхождение этих двух модификаций различное. Первые чаще всего образуются в результате катионного обмена. Генезис вторых значительно более сложный. Между указанными разновидностями часто встречаются хлоридные воды промежуточного состава и смешанного генезиса. 
<< | >>
Источник: Ю.А. Гледко. Гидрогеология. 2012

Еще по теме Особенности химического состава подземных вод в зависимости от условий формирования:

  1. § 5. ИСТОЧНИКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
  2. § 4. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
  3. § 8. ОСАДКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
  4. ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
  5. 4.2. Формирование состава аудиторской группы
  6. Особенности субъектного состава договора дарения недвижимости
  7. Особенности субъектного состава договора
  8. Химическое загрязнение
  9. Указатель составов преступлений, предусмотренных Особенной частью УК РФ
  10. § 6. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЗЕМНОЙ КОРЫ II ЗЕМЛИ
  11. 4.4.3. Педагогические условия формирования воинского коллектива
  12. Условия формирования банковской системы
  13. §2. Формирование условий конкурентной среды
  14. 4.4. ТЕРРИТОРИАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ХИМИЧЕСКОГО И ЛЕСНОГО КОМПЛЕКСОВ
  15. Исторические особенности формирования
  16. Процесс формирования новой политической структуры мира в условиях глобализации
  17. 6.1. Особенности формирования корпоративной собственности в Украине
  18. 14.8. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ФОРМИРОВАНИЮ СИСТЕМЫ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ ПОЛИТИКИ В ОСОБЫХ УСЛОВИЯХ