ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Под химическим составом природных вод принято понимать весь сложный комплекс газов, ионов, коллоидов минерального и органического происхождения [17, 21]. В природных водах содержатся различные минеральные соли, химические элементы, газы и бактерии, влияние которых на организм человека, урожайность сельскохозяйственных культур и условия строительства различно.

Некоторые соединения не оказывают какого-либо воздействия на здоровье человека, другие — полезны, третьи, наоборот, — вредны, они угнетают сельскохозяйственные культуры, разрушают бетонные сооружения.

Изучением состава подземных вод, процессов, приводящих к его формированию, закономерностей распределения различных компонентов в подземных водах занимается гидрогеохимия.

Знания в области гидрогеохимии используются в геологии, например, для решения таких вопросов, как рудообразование, происхождение солей, нефти и газа, формирование, сохранение и разрушение месторождений различных полезных ископаемых. Многие практические вопросы использования подземных вод вообще нельзя решать без знания их химического состава. Так, при оценке качества подземных вод, используемых для хозяйственно-питьевого и технического водоснабжения, нужно знать не только общую минерализацию вод, т.е. суммарное количество растворенных в них компонентов, но и содержание отдельных химических элементов. Например, установлено, что недостаток в воде фтора (< 0,75 мг/л) вызывает кариес зубов, а его избыток (более 1,5 мг/л) — флюороз.

Воды, бедные йодом, влекут базедову болезнь (увеличение щитовидной железы). Наличие болезнетворных бактерий, некоторых классов органических веществ (фенолов, бензола и др.), тяжелых металлов влияет на санитарно-гигиеническую оценку подземных вод. Применение минеральных лечебных вод основано главным образом на содержании в них различных физиологически активных компонентов химического и газового состава.

Многие подземные воды содержат некоторые ценные компоненты в таких количествах, что их извлекают из вод в промышленных масштабах. Такие воды называются промышленными. Так, весь добываемый для использования в народном хозяйстве йод извлекают из подземных (йодных) вод, также из подземных (бромных) вод получают большую часть брома. В настоящее время весьма перспективным является комплексное извлечение из промышленных подземных вод таких химических элементов, как стронций, бор, литий, германий, рубидий, цезий и др.

Очень важно знать химический состав вод, используемых при орошении земель, так как их общая минерализация, содержание в них ряда компонентов влияют на развитие сельскохозяйственных культур, засоление почв.

Применяемый в настоящее время в геолого-поисковой практике гидрохимический метод поисков рудных и нефтегазовых месторождений основан на изучении закономерностей распределения в подземных водах их минеральных и органических компонентов, определении их газового и бактериального состава. Изучение химического состава вод и прогноз его изменения необходимы при разработке месторождений полезных ископаемых, а также при различных видах строительства, чтобы своевременно предусмотреть меры против коррозии бетона и металла посредством воды. По мере накопления знаний о составе и свойствах подземных вод будет расширяться и область теоретического и практического их применения.

Ионный и солевой состав. В природных водах обнаружено более 80 химических элементов, среди них макроэлементы (макрокомпоненты), определяющие химический тип воды, микроэлементы (микрокомпоненты), а также газы, органические соединения и микрофлора. Они находятся в воде в виде ионов (катионов и анионов), простых и комплексных молекул, коллоидов. Сумма всех найденных при химическом анализе воды минеральных веществ (в мг/л и г/кг) называется минерализацией воды.

Макроэлементы. Важнейшими ионами (согласно ГОСТу «главными»), определяющими минерализацию воды, являются: К+, Na+,

Ca2+, Mg2+, С Г, S0|-, HCOJ, СО2-. В пресных водах обычно преобладают ионы Са2+ и НСО3, а в соленых — Na+ и С1-. Поэтому пресные воды в основном имеют гидрокарбонатно-кальциевый состав, а соленые — хлоридно-натриевый. Различное сочетание указанных ионов дает очень большое разнообразие химических типов подземных вод.

Наиболее широко распространены Cl-, НСО3, CO2-, SO4-, Na+, К+, Са2+, Mg2+, которые часто называют главными; их разнообразные сочетания определяют основные типы природных вод. В природных водах содержатся также ионы ОН-, F-, N0/, NO2, Н+, NH4, Fe2+, Mn2+, Sr2+ и некоторые микроэлементы — йод, бром, бор, медь, свинец, мышьяк, барий, хром и т.д.

Микроэлементами называют те химические элементы, которые находятся в водах в количестве < 10 мг/л. Некоторые из них (бор, медь, молибден) повышают урожаи сельскохозяйственных культур (микроудобрения).

В щелочных водах в виде ионов может присутствовать также Si02, а в кислых (распространенных на севере) — Fe3+, А13+ и другие металлы. Необходимо подчеркнуть, что малое содержание в водах таких элементов, как Si, А1 и Fe, широко распространенных в горных породах, объясняется их малой подвижностью и растворимостью; наоборот, СГ и Na+ весьма подвижны и хорошо растворимы (Кирюхин, Толстихин, 1987).

Наиболее изучены йод, бром, фтор, бор, кремний, железо, алюминий, медь, цинк, свинец. Многие из микроэлементов, хотя и не определяют химического типа воды, являются специфическими для определенных геолого-гидрогеологических условий. Например, для вод нефтегазовых месторождений характерны йод, бром, бор, стронций, содержание которых может достигать сотен и более мг/л. Для вод рудных месторождений характерны медь, молибден, мышьяк, никель, железо, олово, ртуть, свинец, серебро и др.; содержание их обычно составляет единицы и десятки мг/л, но может достигать и сотен мг/л.

Главными ионами являются следующие.

Хлор-ион СГ. Он находится в воде в виде соединений хлористого натрия. Главный компонент солоноватых, соленых и рассольных вод — хлор вызывает засоление почв и грунтовых вод, вреден для растений. Если присутствие хлора в подземных водах обусловлено растворением каменной соли морского происхождения, то такая вода не опасна в санитарном отношении, а только может иметь соленый привкус. Хлор-ион может иметь и эндогенное происхождение (выделение при вулканических извержениях), он также не опасен в санитарном отношении. Если же в густонаселенных районах в неглубоко залегающих грунтовых водах при отсутствии каменной соли обнаруживается повышенное содержание хлора, то это указывает на загрязнение вод, и употребление таких вод для питьевых целей не разрешается.

Сульфат-ион SO^- в соединениях с кальцием и магнием обусловливает жесткость воды (постоянную), засоляет почвы и грунтовые воды, ядовит для растений. Происхождение иона SO^- в водах различно: выщелачивание гипса или ангидрита в осадочных толщах морского происхождения, окисление сульфидных минералов (преимущественно пирита) в песчано-глинистых отложениях, разложение диоксида серы и H2S, а также загрязнение сточными водами.

Гидрокарбонатный ион НС03 очень широко распространен в водах. Его появление вызывается растворением карбонатов Са2+ и Mg2+. Гидрокарбонатный ион обусловливает щелочность подземных вод. Карбонатные соединения в подземных водах при обычных температурах и давлении труднорастворимы. На рост растений и плодородие почв углекислые соединения оказывают различное воздействие: так, поташ К2С03 полезен для растений, сода Са2С03 • ЮН20 вредна, а кальцит СаС03 — нейтрален. Содержание карбонатного иона в водах, используемых для питьевых и оросительных целей, не лимитируется.

Натрий-ион Na+ широко распространен в подземных водах и сопутствует главным образом иону хлора (в солоноватых и соленых водах), реже он связан с сульфатным и гидрокарбонатным ионами. Однако в пресных водах (до 1 г/л) он часто присутствует в виде соды. Все соединения натрия вредны для растений.

Калий-ион К+. Содержание этого иона в подземных водах намного меньше, чем натрия, хотя процентные содержания этих элементов в земной коре (кларки) близки (Na — 2,83; К — 2,59). Это объясняется главным образом тем, что калий хорошо усваивается растениями, являясь одним из главных источников их питания, а также легко поглощается глинистыми минералами.

Кальций-ион Са2+ и магний-ион Mg2+ очень широко распространены в водах, они обусловливают важное свойство вод — их жесткость. Источником Са2+ в подземных водах являются известняки, гипс, минералы-алюмосиликаты. Ионы магния поступают в воду при растворении доломитов, мергелей, слюд, амфиболов. В пресных водах обычно Са2+ доминирует над Mg2+, что объясняется преобладанием в породах Са2+ над Mg2+ и большей энергией удержания при адсорбции.

Железо. Валентность железа различна; Fe2+ <-» ± Fe3+ — эта реакция широко распространена и имеет большое значение В водах железо присутствует в закисной форме в виде иона Fe2+, окисной — в виде иона Fe3+ и коллоидов. Оксидные формы железа неустойчивы, в присутствии кислорода легко окисляются. Процесс окисления происходит при участии бактерий.

В водах с нейтральной реакцией (pH ~ 7) железо малоподвижно, а в кислых (pH < 7) оно легко переходит в раствор и выносится из породы (так называемый подзолистый тип почвообразования). Соединения железа придают воде неприятный вкус и чернильный оттенок. В питьевых водах допустимый предел содержания соединений железа — до 0,3 мг/л.

Газовый состав. Практически все подземные воды содержат то или иное количество растворенных газов. По закону Генри их количество по массе прямо пропорционально давлению газа (или парциальному давлению в смеси газов). Основными газами являются 02, N2, С02, H2S, Н2, СН4. В большинстве случаев по массе преобладают один или два, редко три газа.

Большое геохимическое значение имеет кислород, содержание которого уменьшается с глубиной. Кислород расходуется на окисление минеральных и газовых компонентов воды, а также на образование сложных кислородсодержащих ионов S04_, HCOj, С02~ и др.

Углекислый газ очень химически активен, с водой и ее компонентами он вступает в многочисленные реакции, участвует в равновесии С02 — СО2- — HCOJ; характерен для углекислых минеральных вод, в которых его количество достигает нескольких г/л. Азот содержится во всех водах и составляет до 95—99% общей газо- насыщенности вод.

Сероводород характерен для глубоких вод, иногда его содержание достигает нескольких сотен мг/л (Мацеста); он является важным агентом химических реакций, участвует в равновесии H2S-SOj--SH.

Углеводородные газы (метан, этан, пропан, бутан и др.) всегда насыщают воды нефтегазовых месторождений. Метан часто преобладает над другими газами, образуя метановые воды с газонасы- щенностью до 10 000 мл/л. Водород менее изучен; он иногда составляет 25—30% общего количества растворенных газов.

Помимо основных вышеназванных газов в подземных водах могут присутствовать инертные газы (неон, аргон), гелий, эманации радия и тория, а также СО, НС1, HF, S02, Cl, S, NH3. Большой интерес представляют так называемые фумарольные термы областей современного вулканизма, содержащие газы сложного состава (НС1, HF, СО, С02, H2S, S02 и др.)- Воды, содержащие значительное количество углекислоты, большей частью имеют кислую реакцию; воды, содержащие кислород, действуют как окислители, а содержащие сероводород — как восстановители.

Кислород 02 содержится в подземных водах в довольно значительных количествах (до 14 мг/л). Обогащение подземных вод кислородом происходит при фотосинтезе. К процессам, уменьшающим содержание растворенного кислорода, относятся реакции, связанные с его потреблением на окисление различных веществ, в частности органических, загрязняющих воду, а также брожение, гниение и т.д.

Углекислота С02, присутствующая в воде в виде растворенного углекислого газа, носит название свободной. Просачиваясь в горные породы, вода обогащается углекислотой, образующейся в результате разложения органических соединений при участии микроорганизмов.

Коллоидный состав. В коллоидном состоянии в воде присутствуют гидроксиды железа Fe(OH)3 и алюминия А1(ОН)3, кремнекисл ота Si02 и органические соединения. Эти вещества образуют неустойчивые коллоидные растворы (золи), которые выделяют коллоидно-растворенное вещество в виде гелей.

Органические соединения весьма широко распространены в подземных водах. Это представители всех химических групп (углеводы, белки, жиры) и таких органических соединений, как углеводороды, спирты, гумусовые вещества, гуминовые кислоты, карбоновые кислоты.

Общее содержание Сорг колеблется от 25 до 40 мг/л. При этом грунтовые воды аридных зон содержат 20—25 мг/л Сорг, гумидных — 35 мг/л, а глубокие напорные воды — до 40 мг/л. Эти вещества представляют собой неустойчивые химические соединения сложного состава (гуминовые вещества, гуминовые кислоты). Гумусовые вещества неядовиты и с гигиенической точки зрения безвредны, они придают воде характерные свойства — желтый цвет, затхлый запах и сладковатый вкус.

Микрофлора. Бактерии обнаружены в подземных водах, расположенных на глубине до нескольких километров. В зоне активного водообмена наиболее распространены гнилостные и болезнетворные бактерии и сапрофиты, разлагающие вещества белкового характера и загрязняющие воду. В глубоких водах развиваются такие группы бактерий, как сульфатредуцирующие, метанообразующие, денитрифицирующие и др. В результате жизнедеятельности бактерий образуются многие газы: H2S, С02, СН4, N2, Н2 и др. Многие бактерии способствуют окислению минеральных и органических веществ, газов. Это тионовые и серобактерии, бактерии, окисляющие водород, метан, гептан и др. Большая часть бактерий относится к термофилам, активно развивающимся при температуре более 37°С.

Предел температуры, при которой еще может протекать, хотя и в ослабленном виде, жизнедеятельность организмов, составляет 75—80°С. Существует ряд бактерий, способных развиваться при минерализации воды до 300 г/л. Число бактерий колеблется от 10 до 500 тыс. клеток в 1 мл воды. В особо благоприятных условиях их количество может достигать 2 млн клеток в 1 мл воды.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >