Процессы формирования химического состава подземных вод

Химический состав подземных вод формируется в результате разнообразных

процессов, которые в свою очередь обуславливаются рядом факторов

Число факторов, определяющих химический состав подземных вод, чрезвычайно

велико. Это свойства воды в различных фазовых состояниях, температура, давление,

радиоактивность, климат (осадки и испарение), рельеф, условия дренирования,

минералогический состав пород, фильтрационные свойства пород и др.

Основные процессы, формирующие состав природных вод – это растворение и

выщелачивание, гидролиз, сорбция и десорбция, комплексообразование, кристаллизация

(осаждение), смешение вод, антропогенное воздействие.

Комплекс основных факторов и процессов, характерных для рассматриваемой

гидрогеологической системы, принято называть условиями формированияхимического

состава подземных вод.

Растворение –это процесс перевода в раствор твердого вещества горных пород.

Растворение предполагает полное разрушение кристаллической структуры минералов.

Выщелачивание – избирательное растворение и вынос наиболее растворимого компонента породы, без нарушения кристаллической структуры. Так из известняков могут выщелачиваться

включения гипса.

Гидролиз – в буквальном смысле означает разложение водой. Гидролизом

называется всякое взаимодействие вещества с водой, при котором составные части

вещества соединяются с составными частями воды.

Кристаллизация–это процесс выделения твердой фазы из насыщенных

растворов. Твердая фаза выделяется из раствора, если химический потенциал

образующихся компонентов меньше химического потенциала этих компонентов в

растворе.

Испарительное концентрирование (испарение) –испрание воды из раствора, вследствие чего происходит повышение концентрации веществ.

Процессы смешения- с более глубокими минерализованными водами определяют изменение состава грунтовых вод на участках интенсивной глубинной разгрузки (долины крупных рек, приморские низменности, внутриконтинентальные впадины).

Влияние антропогенного фактора на формирование химического состава грунтовых вод наиболее заметно проявляется на территориях городских агломераций, промышленных предприятий и районов интенсивной сельскохозяйственной деятельности. В этом случае изменения химического состава грунтовых вод могут быть связаны, с одной стороны, с резко повышенными (в сравнении с естественным фоном) концентрациями обычных компонентов (СГ, SO2 ' , NO~, NOj и др.), с другой — с наличием компонентов, не характерных для грунтовых вод района в естественных условиях (тяжелые металлы, органические соединения, ядохимикаты и др.).

Геохимический барьер – это зона, в которой на коротком расстоянии происходит резкая смена гидрогеохимических условий миграции химических элементов, что вызывает осаждение этих элементов в твердую фазу.

Количественная характеристика барьеров осуществляется при помощи параметра

контрастность(S). Контрастность барьера определена, как отношение величин

геохимических показателей до и после барьера

Типы барьеров:

I. Механический барьер. Сущность его сводится к смене энергичной миграции

более спокойным перемещением, вследствие уменьшения скорости движения воды.

Механические барьеры важны для миграции взвесей и для подземных вод несущественны,

т.к. перемещение элементов в виде взвесей для подземных вод не характерно. Но, все же,

такой барьер может проявляться на участках резкого замедления скорости воды, т.к.

замедление перемещение активизирует процесс кристаллизации, благоприятствуя

образованию точек («зародышей») кристаллизации.

II. Биохимический барьер.Определяется деятельностью микроорганизмов,

многие из которых способны накапливать в своем теле различные элементы. Примером

могут служить колонии микробов, концентрирующих серу (серобактерии), железо

(железобактерии) и др. Кроме того, на участках скопления бактерий, изменяющих окислительно-восстановительные условия среды, образуются гидрохимические барьеры.

Из них типичными являются: восстановительный барьер, на котором происходит

осаждение соединений урана (при переходе более растворимой окисленной формы в

менее растворимую восстановленную) и окислительный барьер, на котором происходит

выделение элементарной серы при поступлении сероводородных вод в зоны развития

аэробных тионовых бактерий: 2H2S+O2=S2+2H2O

III. Физико-химические барьеры,характеризующиеся резким изменением

физико-химических условий.

1) Окислительный (кислородный) барьер – выражается в смене

восстановительных условий окислительными. При этом снижается

миграционная активность ряда элементов с переменной валентностью, а

именно таких, для которых окисленная форма является менее

растворимой, чем восстановленная. Например: Fe(OH)2+O2 = Fe(OH)3;

Mn(OH)2+O2=Mn(OH)4 Окислительный барьер имеет наибольшее

значение для выведения в твердую фазу соединений Fe, Mn, S, Se.

Таким типичным барьером является выход глубинных вод на поверхность, т.е.

переход вод не содержащих О2 в контакт с атмосферой или с водами, содержащими

кислород. Такой же барьер существует в месте смешения болотных и речных вод,

бескислородных (свалочных) вод и поверхностных и т.д.

2) Восстановительный барьер– возникает при смене окислительных

условий восстановительными. Это обычно происходит, когда

кислородсодержащие воды встречают на своем пути сероводород

(сульфидный барьер), вследствие чего в осадок выпадают плохо

растворимые сульфиды многих металлов: Fe, V, Zn, Cu, Pb, As, Hg и др.

Например: FeCO3+H2S = FeS2+H2O+CO2; 2CrO4+10H+ + 6e=Cr2O3(ТВ)+5H2O

Такой барьер возникает при просачивании поверхностных вод в более глубокие

горизонты, даже внутри поверхностных водоемов на контакте с придонным

иловым слоем, в котором идет образование H2S.

3) Щелочной барьер– возникает на участках резкой смены кислых вод

нейтральными или слабощелочными., т.е. действует при увеличении рН

среды. Действию щелочного барьера подвержены многие элементы-

комплексообразователи, являющиеся одновременно элементами-

гидролизатами (Fe, Mn, Hg, Be). Причина в том, что ПР многих

гидроксидных соединений этих элементов минимальны. Миграция

большинства перечисленных элементов в подземных водах

осуществляется в виде разнообразных комплексных соединений (с F-,

ФК, ГК и др.). Комплексообразование защищает эти элементы от

процессов гидролиза, но полностью предохранить не может. Типичные

схемы гидролитического осаждения элементов: BeF+ +2OH=Be(OH)2+F-;

Fe(ФК)n

3-2n+3OH=Fe(OH)3.

Примером такого барьера может служить смешение щелочных морских и

термальных кислых вод, смешение кислых рудничных вод с поверхностными

водами.

4)Cульфатный и карбонатный барьеры. – образуются в местах встречи

сульфатных и карбонатных вод с водами, содержащими значительные

количества элементов, имеющих минимальные значения растворимости

карбонатных и сульфатных солей, например, Ba, Sr, Ca.

Например, BaCl2+Na2SO4=BaSO4+2NaCl. Приведенный пример типичен для случая

смешения глубоких пластовых вод, содержащих значительные количества BaCl2 с

закачиваемыми пресными водами, содержащими сульфаты. В результате

образуется практически нерастворимый BaSO4.

Для приповерхностных зон характерен процесс кальцитизации пород при

смешении гидрокарбонатно-натриевых вод с сульфатно-кальциевыми. Например,

для вод, формирующихся в кристаллических породах характерен НСО3-Na состав.

При смешении таких вод с водами, сформировавшимися в загипсованных породах

и характеризующихся системой SO4- CO3-Ca будет происходить реакция:

2NaНСО3+СаSO4 =Са(НСО3)2+ Na2SO4

5) Кислый барьер– характеризуется относительным снижением рН

растворов. Не типичен для зоны гипергенеза, поскольку в кислой среде

миграционная способность большинства элементов возрастает. Имеет

значение этот барьер только для кремнезема, который хуже

растворяется в кислых водах, чем в нейтральных и щелочных. При

снижении рН кремнезем осаждается из растворов, что приводит к

окремнению пород.

6) Сорбционный гидроксидный барьер. Свежеосажденные гидроксиды

поливалентных элементов являются эффективными сорбентами,

очищающими подземные воды от многих элементов. Среди них, особо

важное значение имеют гидроксиды железа, марганца и алюминия.

Функциональными первичными ионообменными группами гидроксидов

являются Н+ и ОН-, которые в дальнейшем заменяются другими ионами

способными к обмену. Будучи амфотерными, эти гидроокислы в кислых

средах сорбируют анионы, а в щелочных – катионы. В связи с этим в

кислой среде гидроокислы поливалентных металлов осаждают

элементы, мигрирующие в виде сложных отрицательно заряженных

ионов: W, As, Se, Mo,B и др. В щелочной среде более активно

соосаждаются катионогенные элементы Ba, Sr, а также многие металлы,

миграция которых в маломинерализованных водах осуществляется в

виде простых катионов (Zn, Cu, Pb, Ni, Co)

7) Сорбционный глинистый барьер.

Сорбционные и обменные способности глинистых пород сильно зависят от

минерального состава глинистой компоненты, поэтому необходимо остановиться на

структуре и химическом составе основных глинистых минералов.

Все глинистые минералыявляются слоистыми алюмосиликатами. Кроме того,

важно то, что они являются «водными» силикатами, т.е. содержат группы ОН, а также

молекулы воды в межслоевом пространстве. Основные глинистые минералы осадочных

пород: монтмориллонит, гидрослюда (иллит), каолинит, хлорит.

МонтмориллонитAl Si (OH) (Mg,Na,Ca,Fe). Формула очень изменчива. Кроме

обменных катионов: Mg ,Na, Ca, Fe, всегда содержит молекулы Н2О в межплоскостных

промежутках. Набухает с 10-ти кратным увеличение объема. Высока способность к

сорбции и ионному обмену. Емкость поглощения 80-150 мг/экв. на 100 г породы.

Гидрослюда K Al Si (OH). Не содержит обменных катионов. Набухает с

увеличением объема до 20-30%. Емкость поглощения 20-40 мг/экв на 100 г породы

Каолинит Al Si (OH). Не способен к катионному обмену, не набухает, емкость

поглощения 3-15 мг/экв на 100 г породы

Хлорит Mg Al Si (OH). Не набухает, не способен к катионному обмену, емкость

поглощения 10-40 мг/экв.

8) Испарительный барьер– формируется на участках сильного

испарения природных вод, вследствие чего из них последовательно

осаждаются соединения в зависимости от концентрации раствора и

величины растворимости того или иного вещества. В качестве примера

можно привести процессы образования солончаков в аридных зонах, где

интенсивное испарение вызывает выпадение из воды сульфатных и

хлоридных солей щелочных и щелочноземельных металлов, в отдельных случаях – сода и др.

Вопрос № 19. Связь подземных вод и ландшафтов (гумидной,аридной областей и криолитозоны). Влияние ландшафтных характеристик на инфильтрационное питание подземных вод.

Факторы и условия формирования инфильтрации: влияние ландшафта, строения и мощности зоны аэрации на питание.

Инфильтрационный режим обусловливается характером выпадения атм.осадков и их поступлением в зону аэрации (ЗА).

Площадная неоднородность инф. обусловлена I) морфологией поверхности земли; II) строением ЗА; III) особенностями ландшафта. Неравномерность инф. питание ГВ происходит не повсеместно, а в местах сквозного просачивания в ЗА

I) Два типа инф: 1) рассеянная (площадная); 2) сосредоточенная (точечная, локализованная). Это разделение обусловлено, прежде всего, морфологией пов. земли. Сосредоточенное питание проявляется при снеготаянии и знач. выпадении осадков, когда в понижениях рельефа (западинах) образуются лужи и местные заболачивания – очаги повышенной инф.; также под глубоким снежным покровом почва западин слабее промерзает и быстрее оттаивает => усиление инф. Площадная инф. характерна для плоских повышенных участков поверхности земли (там её площ. неоднор. связана с влиянием форм мезорельефа, почвы, растит.).

на участках локального питания инфильтрующаяся вода быстро (сутки – дес. суток) достигает УГВ, а площадная – может задерживаться в ЗА до неск. лет.

II С увеличением мощности ЗА увеличивается инф. питание, но с некоторой глубины оно становится постоянным.

III)Изучение влияния леса на инф.: В лесных массивах при залегании грунтовых вод(ГВ) в песках сильно проявляется влияние рельефа, приводящее к куполообразным повышениям УГВ и амплитуды их колебаний в понижениях рельефа, а в моренных отложениях – режим ГВ имеет индивидуальный хар-р, причем амплитуды сезонных колебаний УГВ как на поле, так и в лесу меняются от неск. см до 2-3м при характерном диапазоне 0,5-1,5м.

На городских и промышленных террит. – увеличение инф.питания ГВ обусловлено недостатками планировки террит, интенсивными поливами на орошаемых тер, потерями из канализационных и водопроводных сетей и тд.