ФОРМИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ПОДЗЕМНЫХ ВОД

ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА

Формирование химического состава подземных вод — одна из сложнейших проблем гидрогеологии и гидрогеохимии. В каждом конкретном случае на формирование химического состава подземных вод действует совокупность процессов и факторов, среди которых выделяются один или несколько доминирующих. При разрешении проблемы важно выяснить источники поступления и характер перемещения элементов и соединений в подземной водной среде, т.е. их миграция.

Главными источниками растворенных веществ подземных вод служат:

  • • мантия — летучие компоненты магмы;
  • • литосфера — породы и минералы;
  • • гидросфера — океаны, моря, озера, реки;
  • • атмосфера — осадки;
  • • биосфера — остатки растительных и животных организмов. Растворенные вещества и химические элементы подземных вод

находятся в постоянном движении и изменении, что связано с их миграцией. Различают три основные формы миграции — истинно растворенная форма, коллоидная форма и форма миграции веществ в виде взвесей.

Весьма важным для понимания процесса миграции химических элементов и веществ явилось введенное А.И. Перельманом (1961) в геохимии и гидрогеохимии понятие о геохимических барьерах — участках земной коры, в пределах которых на коротком расстоянии резко сменяются условия миграции, что приводит к концентрации элементов или их рассеянию. Различают три основных типа барьеров — механические, биохимические и физико-химические. Геохимические барьеры играют большую роль в формировании химического состава подземных вод, влияя на концентрацию элементов в водной среде, особенно при выпадении соединений из раствора, т.е. уходе из среды миграции. В то же время вода сама является геохимическим агентом рассеяния и перераспределения элементов в земной коре.

На миграцию элементов в подземных водах оказывают влияние разные процессы, протекающие в системе подземная вода — окружающая среда, что обусловливает в свою очередь разнообразие химического состава подземных вод. Среди множества процессов, формирующих определенный тип подземных вод, можно выделить растворение, выщелачивание, выпадение осадка, диффузию, адсорбцию, ионный обмен, фильтрационно-осмотический эффект, разбавление, концентрирование.

Растворение — процесс разрушения водой кристаллической решетки минералов мономинеральных пород, например солей, чистых хемогенных известняков и др. При растворении минералы полностью переходят в растворенное состояние.

Выщелачивание — более сложный, чем растворение, процесс перехода в раствор части наиболее легко растворимых минералов при взаимодействии подземных вод с полиминеральными породами, которые в результате либо разлагаются до рыхлой стадии, либо сохраняют жесткий каркас с увеличением пористости и проницаемости.

Известно несколько видов выщелачивания, среди которых наиболее широко распространены: углекислотное (при наличии газа С02), выщелачивание растворами повышенной ионной силы, гидролиз, окисление.

Выпадение осадка — процессы выпадения механических взвесей из подземных вод при изменении скорости фильтрации и выделения из раствора труднорастворимых соединений (солей, оксидов) при достижении подземными водами степени насыщения компонентами, образующими такие соединения. Причиной выпадения осадка могут служить испарение подземных вод, смешение вод различного состава, изменение температурных и барических условий, насыщение вод газами.

Диффузия — взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга вследствие теплового движения частиц, стремящихся к равновесному распределению в данном объеме. Различают два вида диффузии — молекулярную, которая преобладает в водоносных комплексах с малыми скоростями фильтрации и протекает как непосредственно в жидкой фазе, так и между жидкой и твердой фазами (в системе вода—порода), и конвективную, свойственную движущимся подземным водам (фильтрационный массоперенос) и протекающую одновременно с молекулярной диффузией.

Адсорбция — процесс поглощения из подземных вод ионов поверхностным слоем пород. При физической адсорбции действуют силы межмолекулярного взаимодействия; при химической адсорбции взаимодействующие компоненты образуют химическое соединение. Адсорбирующие поверхности несут положительный или отрицательный заряд и притягивают противоположно заряженные ионы или частицы. Глинистые породы имеют, как правило, отрицательный заряд и адсорбируют из подземных вод катионную составляющую. Интенсивность адсорбционного процесса зависит от заряда и радиусов ионов, а также от удельной поверхности породы (поверхности, приходящейся на весовую единицу адсорбента). Наибольшей удельной поверхностью обладают глинистые породы.

Ионный обмен — разновидность сорбционных процессов, заключающийся в обмене между ионами раствора и поглощенного комплекса пород. В пределах водоносных комплексов ионный обмен происходит между катионами, так как они преобладают в поглощенном комплексе, коллоидная часть которого состоит преимущественно из отрицательно заряженных частиц (5Ю2, А1203), поглощающих катионы. Ионный обмен протекает до установления равновесия и является обратимым процессом. В результате ионного обмена подземные воды изменяют свой состав (метаморфизируются) при сохранении степени минерализации, так как катионы обмениваются в равных эквивалентных количествах.

Фильтрационно-осмотический (.мембранный) эффект заключается в отстаивании растворимого от растворителя при прохождении через слабопроницаемую среду — мембрану, в качестве которой в толще горных пород выступают некоторые литологические их разности (глины, известняки, доломиты, ангидриты и др.). Это явление имеет частично электрическую природу (электрокинетический фильтрационный эффект). В зависимости от заряда фильтра происходит преимущественное отстаивание анионной или катионной части раствора. Фильтрация и осмос следует рассматривать как самостоятельные процессы, так как они обусловлены различными причинами: фильтрация происходит под действием градиента напоров, а осмотические явления (осмотическая фильтрация) обусловлены действием градиента концентраций. В гидрогеологии «мембранный» эффект, по-видимому, связан больше с действием напорного градиента.

Мембранный эффект играет большую роль в формировании нефтяных залежей в ловушках. При продавливании вод из пластов, обладающих большими напорами, в пласты с меньшим напором через разделяющие их слабопроницаемые разделы, происходит выделение водорастворенного органического вещества в свободную фазу. Это явление называют также «высаливание углеводородов». В результате «высаливания» подземные воды изменяют свой состав, освобождаясь от органической составляющей. В результате изменяются и такие параметры, как общая минерализация и химический тип вод.

Разбавление — процесс, приводящий к уменьшению общей минерализации подземных вод. Иногда он сопровождается изменением химического типа вод. Разбавление подземных вод отдельных водоносных горизонтов или комплексов происходит при их смешении с атмосферными осадками (метеогенными водами), при смешении вод различных водоносных горизонтов, а в некоторых случаях при поступлении ювенильных, элизионных (отжатых) и возрожденных вод.

Концентрирование — процесс, обратный разбавлению, приводящий к увеличению концентрации элементов, ионов, веществ в подземных водах, т.е. к увеличению их общей минерализации. Причины концентрирования подземных вод могут быть самые различные, например в грунтовых водах концентрирование происходит под влиянием испарения, транспирации вод растениями, промораживания в результате частичного расходования чистой воды.

В глубоких водоносных горизонтах земной коры концентрирование подземных вод объясняется действием разных причин. Так, В.А. Сулин (1935), М.Г. Альтовский (1964) и др. связывали ее с подземным испарением под действием внутренней теплоты Земли; Е.В. Посохов (1969) — с расслоением земного вещества под действием сил тяготения. Концентрирование элементов в подземных водах под влиянием гравитационной силы детально рассматривается в работе К.В. Филатова (1976); под влиянием теплового движения молекул воды и ионов — в работах О.Я. Самойлова и Д.С. Соколова (1957, 1958). Оценка влияния магнитного поля Земли на процесс концентрирования проведена К.В. Питьевой (1971, 1978).

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >