Гидрогеохимия, химический состав подземных вод

Российский ученый Лебедев на основе многочисленных экспериментов разработал классификацию видов воды в почвах и грунтах. Представления А.Ф. Лебедева, получившие дальнейшее развитие в более поздних исследованиях, позволили выделить следующие виды воды в горных породах: в форме пара, связанную, свободную, в твердом состоянии.

Подземные воды бывают солеными, солоноватыми (меньшей солености) и пресными; существующие геотермальные воды имеют повышенную температуру (более 30`С).

Пары воды занимают в породе поры, не заполненные жидкой водой, и перемещаются за счет различной величины упругости пара или потоком воздуха. Конденсируясь на частицах породы, водяные пары переходят в другие виды влаги.

Различают несколько видов связанной воды.

Сорбированная вода– это вода, которая удерживается частицами породы под влиянием сил, возникающих при взаимодействии молекул воды с поверхностью этих частиц и с обменными катионами. Сорбированную воду разделяют на прочносвязанную и рыхлосвязанную. Если влажную глину подвергать давлению, то даже под давлением в несколько тысяч атмосфер часть воды невозможно удалить из глины. Это прочносвязанная вода. Полное удаление такой воды достигается лишь при температуре 150 - 300оС. Чем меньше минеральные частицы, слагающие породу, и, следовательно, выше их поверхностная энергия, тем большее количество прочносвязанной воды в этой породе.

Рыхлосвязанная, или пленочная, вода образует пленку вокруг миниральных частиц. Она удерживается слабее и довольно легко удаляется из породы под давлением. Особенно важную роль играет сорбированная вода в глинистых породах. Она влияет на прочностные свойства глин и их фильтрационную способность.

Как уже указывалось, связанная вода участвует в строении кристаллических решеток некоторых минералов. Кристаллизационная вода входит в состав кристаллической решетки. Гипс, например, содержит две молекулы воды CaSO4·2H2O. При нагревании гипс теряет воду и превращается в ангидрит (CaSO4).

Известно, что при температуре около 4оС вода имеет максимальную плотность 1,000 г/см3. При 100оС ее плотность - 0,958 г/см3, при 250оС - 0,799 г/см3. За счет пониженной плотности происходит конвективное, восходящее движение нагретых подземных вод.

Принято считать, что вода практически несжимаема. Действительно, коэффициент сжимаемости воды, показывающий, на какую долю первоначального объема уменьшится объем воды при увеличении давления на I aт, очень мал. Для чистой воды он равен 5·10-5 I/ат. Однако упругие свойства воды, а также водовмещающих пород играют важнейшую роль в подземной гидродинамике. За счет сил упругости создается напор подземных вод. Температура и давление действуют на плотность воды в противоположном направлении.

Плотность подземных вод зависит также от их химического состава и концентрации солей. Если пресные подземные воды имеют плотность, близкую к 1 г/см3, то плотность концентрированных рассолов достигает 1,3–1,4 г/см3. Повышение температуры приводит к значительному уменьшению вязкости подземных вод и, таким образом, облегчает их движение через мельчайшие поры.

Подземные воды исключительно разнообразны по свому химическому составу. Высокогорные источники обычно дают очень пресную воду с низким содержанием растворенных солей, иногда менее 0,1 г в 1 л, а в одной из скважин в Туркменистане был рассол с минерализацией 547 г/л.

Рассмотрим процесс образования и конденсации подземных вод.

Значительная часть выпадающей дождевой и талой воды просачивается в почву. Там она растворяет содержащиеся в почвенном слое органические вещества и насыщается кислородом. Глубже находятся песчаные, глинистые, известняковые слои. В них органические вещества по большей части отфильтровываются, но вода начинает насыщаться солями и микроэлементами. В общем случае, на качество грунтовых вод влияют несколько факторов:

-         качество дождевой воды (кислотность, насыщенность солями и т.д.);

-         качество воды в подводном резервуаре. Возраст такой воды может достигать десятков тысяч лет;

-         характер слоев, через которые проходит вода;

-         геологическая природа водоносного слоя.

В наиболее значительных количествах в грунтовых водах содержатся, как правило, кальций, магний, натрий, калий, железо и в меньшей степени марганец (катионы). Вместе с распространенными в воде анионами - карбонатами, гидрокарбонатами, сульфатами и хлоридами – они образуют соли. Концентрация солей зависит от глубины. В наиболее "старых" глубоких водах концентрация солей настолько велика, что они обладают явственно солоноватым вкусом. К этому типу относятся большинство известных минеральных вод. Наиболее качественную воду получают из известняковых слоев, но глубина их залегания может быть достаточно большой. Грунтовые воды характеризуются достаточно высокой минерализацией и жесткостью, низким содержанием органики и практически полным отсутствием микроорганизмов.

К подземным относятся воды, находящиеся в недрах Земли в жидком, парообразном и твердом состоянии и заполняющие поры, пустоты и трещины в горных породах. По происхождению различают воды:

-         инфильтрационные, образованные в результате проникновения атмосферных осадков в толщу горных пород;

-         конденсационные, образованные из влаги атмосферного влажного воздуха, проникающего в почву или выходящие на дневную поверхность породы, обычно в засушливых областях;

-         седиментогенные, образованные в результате захоронения вод морского происхождения, высокоминерализованные и сильно измененные под влиянием давления и температуры;

-         межаморфогенные, образованные в результате дегидратации под действием температуры и давления минералов, содержащих в своем составе воду.

Вода в горных породах может находиться в парообразном, жидком и твердом состоянии, в связном (кристаллизационная, конституционная, гигроскопическая, пленочная и капиллярная вода) и свободном (гравитационная) виде.

Гравитационная вода содержится в порах пород, может перемещаться и выполнять механическую и химическую работу, поэтому собственно эта вода и является подземной.

Водноколлекторские свойства горных пород определяются пористостью, выражаемой отношением объема всех пор к объему всей породы и водопроницаемостью, зависящей от пористости (наибольшая у галечников, гравия, крупных песков, закарстованных известняков и сильвио трещинных пород). Водоупорными являются глины, тяжелые суглинки, сцементированные и массивные породы.

Различают подземные воды, принадлежащие к зонам аэрации и насыщения.

В зоне аэрации различают воды:

1) почвенные, связанные с инфильтрацией атмосферных осадков и различных поверхностных вод;

2) верховодку – воды, образующиеся на небольшой глубине, задерживающиеся линзами и прослоями водоупорных пород.

В зоне насыщения различают воды:

1) грунтовые, залегающие на первом водоупорном горизонте, из – за отсутствия водоупорной кровли подпитывающиеся атмосферной влагой;

2) межпластовые воды (ненапорные) – залегают между двумя водоупорными толщами с областями питания, значительно удаленными от водоносного горизонта, и выходят на поверхность. Режим грунтовых вод из-за сезонных колебаний подвержен значительным колебаниям. В сельской местности – являются источником водоснабжения. Верхняя граница грунтовых вод – уровень или зеркало грунтовых вод. Порода, насыщенная водой, называется водоносным горизонтом. По направлению уклона местности подземные воды движутся под действием собственного веса по порам и трещинам. Разгрузка происходит в пониженных участках в виде исходящих источников (родников);

3) напорные подземные воды (артезианские) залегают между двумя водоупорными толщами, насыщают весь водоносный горизонт и обладают гидростатическим напором. Большие скопления напорных вод – артезианские бассейны, находятся обычно в прогибах. При снятии напора вода поднимается выше уровня грунтовых вод. Артезианские воды способны образовывать восходящие источники, «бьющие ключи». Не загрязнены. Область питания находится на значительном расстоянии от области распространения.

Различают пояса:

1) пояс сезонных колебаний температур подземных вод;

2) ниже – пояс постоянных температур, неизменных в течении всего года;

3) еще ниже – температура повышается с глубиной: холодные – до 20°С; теплые – 20–42°С; горячие (или термальные) > 42°С (Пятигорск > 27°С).

Разрушительная деятельность подземных вод проявляется главным образом в химическом разрушении и выщелачивании горных пород, что связано с содержанием в них кислорода, углекислоты, различных органических и неорганических веществ.

Совокупность геологических явлений, сопровождающихся растворением и размывом горных пород с образованием крупных полостей, называется карстом. Карстующиеся породы – известняки, доломиты, гипсы и ангидриты.

Формы карстового рельефа:

карры – углубления в виде борозд, канавок, образующие карровые поля. Карстовые воронки, колодцы наиболее распространены. В карстовых областях исчезают реки (в Башкирии река Янан – яма 40 км под землей и 17 км на поверхности). Воды образуют горизонтальные ходы и пещеры (самая крупная – Мамонтова, в США, штат Кентукки, до 100 км, в России – Четырдаг, Кунгурская пещера).

В результате наполнения поверхностными водами рыхлых пород образуются такие формы как:

-         оплывины – мелкие смещения, захвакывающие только верхнюю выветренную часть склонов. Происходит смещение – суглинки и супеси по глинам и специальным суглинкам;

-         оползни – смещение горных пород более крупных масштабов по берегам рек, озер и морей, сложенных рыхлыми породами. Слои имеют наклон в сторону откоса. Образованию оползней способствуют дожди, землетрясения, подмывы рекой или прибоем и т.д. (берега Волги, Черного моря и т.д.).

Насыщение минеральными солями подземных вод приводит к выпадению их из раствора и образованию, например, из Са(НСО3)2 минерала арагонита. В пещерах образуются на стенах натечные корки, посреди – сталактиты и сталагмиты. Полости могут постепенно заполняться ими из вод, насыщенных кремниевой кислотой, образуя кремниевые туфы (гейзериты). В местах выхода на земную поверхность насыщенных углекислотой подземных вод откладывается углекислая известь в виде известкового туфа – травертина, а с Fе – массы бурого железняка.

Будет полезно почитать по теме: