Факторы, процессы, условия формирования состава подземных вод, их химический состав и свойства.

Химический состав подземных вод чрезвычайно сложен. Это обусловливается многими факторами: сложностью структуры воды; изотопным составом водорода и кислорода; сложностью состава горных пород, с которыми подземные воды взаимодействуют; сложностью биологических процессов, протекающих в них; непостоянством газового состава; различиями температур и давления на различных глубинах и др.

В природе существует три изотопа водорода: протий (преобладает), дейтерий и тритий. Хотя содержание дейтерия и трития в природе ничтожно мало, их наличие влияет на химические свойства воды (в частности, на их биологическое воздействие). Изотопов кислорода в природе имеется также три. Комбинация изотопов водорода и кислорода дает сорок два вида воды, из них наиболее стабильны девять. Так называемой легкой воды Н₂0 — в природе нет. Обычная вода имеет полимерную структуру вида Н₂nОn, Основными процессами, формирующими химический состав подземных вод, являются: растворение, гидролитическое разложение, ионный обмен, диффузионное выщелачивание и биологические процессы. Помимо этих факторов имеют значение также смешение вод, происходящее на участках соприкосновения вод различного происхождения; концентрация вод при испарении, а также в результате наложения сложных процессов, происходящих в подземных водах; насыщение вод углекислотой в зонах метаморфизма горных пород; окислительные и восстановительные процессы.

Растворение — процесс перехода в раствор всех элементов, входящих в горную породу. В земной коре всегда содержатся различные легкорастворимые вещества, присутствующие в горных породах в виде примесей (хлоридов, сульфатов и др.) или же в виде залежей солей. При соприкосновении с водой подобные соли переходят в раствор, в результате чего подземные воды и обогащаются химическими элементами.

Гидролитическое разложение, или выщелачивание, — процесс избирательного растворения и выноса подземными водами какой-либо составной части горных пород. Гидролитическое разложение особенно интенсивно протекает в верхней части земной коры, что связано с энергично идущими здесь процессами выветривания. Способность подземных вод к выщелачиванию повышается благодаря присутствию в ней растворенных кислорода и углекислого газа. Вследствие выщелачивания некоторые составные части горных пород переходят в раствор и мигрируют с водами; в результате выщелачивания подземные воды обогащаются солями натрия, калия, кальция, магния и другими элементами. Ионный обмен. Глинистый терригенный материал обычно В поглощающем комплексе содержит катионы кальция, так как в водах суши в растворенном виде преобладают соли этого металла. При диагенезе глинистых осадков, отложившихся в морях, протекают процессы ионного обмена; катионы кальция в поглощающем комплексе глинистых частиц обмениваются на катионы натрия, преобладающие в поровом растворе глинистых осадков, поскольку морская вода, насыщающая поры осадков, содержит в растворенном виде главным образом соли натрия. В результате процессов ионного обмена химический состав подземных вод существенно изменяется. Диффузионное выщелачивание происходит при длительном соприкосновении воды с породами; от процессов ионного обмена оно отличается тем, что во взаимодействие с катионами раствора вступают катионы, входящие в кристаллическую решетку минералов, являющихся составной частью горных пород:

Биологические, точнее микробиологические, процессы имеют огромное значение для преобразования химического состава подземных вод. По мнению В. И. Вернадского, одним из наиболее активных веществ в земной коре является живое вещество — совокупность живых организмов. Поверхностные и подземные воды заселены большим количеством живых организмов. В районах нефтяных месторождений бактерии обнаружены на глубине более 2000 м. Жизнедеятельность организмов является активным фактором в формировании химического состава природных вод. Жизнедеятельностью организмов обусловлены следующие реакции: процессы окисления, процессы восстановления анаэробными бактериями содержащихся в подземных водах окисленных веществ; восстановление сульфатов до сероводорода; восстановление азотнокислых солей; концентрирование рассеянных элементов; формирование газового состава некоторых типов подземных вод и др.

Химический состав

В природных водах в настоящее время обнаружено в растворенном виде свыше 80 элементов периодической системы Менделеева. Следовательно, подземные воды являются природными растворами. Наиболее распространенными в природных водах элементами являются CI, S, С, Si, N, О, Н, К, Na, Mg, Ca, Fe, Al; другие элементы встречаются реже и обычно в небольших количествах.

Определение химического состава подземных вод при гидрогеологических исследованиях имеет большое значение. В соответствии с существующими нормативами практическая оценка изучаемых вданном пункте подземных вод (для водоснабжения, при строитель стве, в горном деле, для орошения и других целей) может быть самой различной.

Свойства подземных вод определяются количеством и соотношением содержащихся в них в растворенном виде солей, присутствующих в воде в виде ионов — катионов и анионов. Среди ионов наибольшее практическое значение имеют следующие: катионы Н⁺, Na⁺, Ка⁺, Mg₂⁺, Ca₂⁺, Fe₂⁺; анионы Cl, SO, НСО₃. Из недиссоциированных соединений наиболее часто встречаются SiO₂, Fe₂O₃, Аl₂O₃, а из газов — СO₂, О, N₂, СН₄, H₂S, иногда Не, Rn и др.

Реакция воды. Для правильного определения химического состава подземных вод нужно знать концентрацию водородных ионов, шли так называемую активную реакцию воды, количественно выражаемую величиной рН, которая представляет собой десятичный логарифм концентрации ионов водорода (точнее, их активности), взятый с положительным знаком: рН = lg (Н+). Знать эту величину необходимо для решения целого ряда теоретических ж практических вопросов (оценки агрессивности подземных вод, их коррозирующей способности и др.). При температуре 22° С в чистой воде содержание водородных и гидроксильных ионов равно (порознь) 10~7; следовательно, для нейтральных вод рН = 7, при рН > 7 вода имеет щелочную реакцию, а при рН <* 7 — кислую. По величине рН воды делятся на весьма кислые (рН << 5), кислые <рН = 5—7), нейтральные (рН = 7), щелочные (рН = 7—9) и высокощелочные (рН > 9). Подземные воды в большинстве своем имеют слабощелочную реакцию. Воды сульфидных и особенно колчеданных и каменноугольных месторождений обычно кислые и часто весьма кислые.

Определять концентрацию водородных ионов необходимо на месте взятия пробы воды; наиболее употребительный способ определения — колориметрический, основанный на свойстве индикаторов менять окраску в зависимости от концентрации водородных ионов. Ион натрия в природных водах широко распространен, главным образом в соединении с ионом С1", реже с ионом SOI" и еще реже с НСО₃^- Практически все соли Na⁺ хорошо растворимы в воде. В засушливых районах капиллярное поднятие грунтовых вод, содержащих соли Na⁺, обусловливает образование натриевых солончаков.

Ион калия содержится в подземных водах в значительно меньших количествах, чем Na⁺; это обусловливается тем, что К+ входит в состав вторичных нерастворимых в воде минералов, а также тем, что ионы К⁺ хорошо сорбируются почвами, откуда они извлекаются наземными растениями. Наряду со стабильным изотопом всегда присутствует радиоактивный изотоп К+, обусловливающий естественную радиоактивность природных вод.

Ион кальция в пресных природных водах встречается в концентрациях до сотен миллиграммов на литр, являясь их основным катионом. С увеличением общей минерализации воды процентное содержание Са₂⁺ (по отношению к другим катионам) понижается. Соли Са2⁺ обусловливают жесткость воды.

Ион магния в природных пресных водах составляет 25— Г>0% от концентрации Са₂⁺; наряду с последним также обусловливает жесткость воды.

Ион железа в подземных водах присутствует преимущественно в закисной форме — Fe₂⁺ в концентрациях от долей до нескольких миллиграммов на литр. При величине рН ^ 7 под действием О₂ легко переходит в окисную форму — Fe₃⁺, образуя при этом труднорастворимый гидрат окиси — Fe(OH)₃, затем образуется Fe₂O₃-3H₂O, выпадающий в осадок в виде бурых хлопьев. Наличие в воде соединений железа придает ей неприятный вкус. Для многих производств вода, содержащая соединения железа, вредна.

Ион хлора наиболее часто содержится в подземных водах в виде соединений с ионом Na⁺ в концентрациях от нескольких до сотен и тысяч миллиграммов на литр. Ионы Сl~ могут накапливаться в подземных водах не только в результате растворения хлоридов из горных пород, но и путем загрязнения различными нечистотами; в этом случае наличие иона Сl" служит показателем непригодности подземных вод для питьевых целей.

Сульфат-ион содержится в подземных водах от долей до нескольких тысяч миллиграммов на литр в зависимости от состава водоносных пород, характера процессов выветривания и окисления сульфидных соединений.

Углекислота в подземных водах встречается в трех видах: свободная (газообразная), растворенная в воде; гидрокарбонатная (или бикарбонатная) в виде иона НСO₅; карбонатная в виде иона СО|~- Содержание в воде свободной углекислоты имеет большое практическое значение, поскольку она придает воде агрессивные свойства. Соединения азота встречаются в подземных водах в виде нитратного иона NO₅, нитритного NO₂ и аммоний-иона NHJ. В случае неорганического происхождения соединения азота являются безвредными. Но при распаде органических веществ соединения азота служат показателями загрязнения воды патогенными бактериями; в этом случае содержание ионов NOi и NH в питьевой воде допускается в виде следов, а иона NO₅ не свыше 10 мг/л.

Органические примеси в природных водах имеют разнообразное происхождение; встречаются преимущественно в водах, залегающих на небольшой глубине. Органические вещества животного происхождения почти всегда служат показателем загрязнения воды патогенными бактериями. Количество органических веществ в воде оценивается по окисляемости, под которой понимается количество кислорода или марганцевокислого калия», расходуемых на окисление органических примесей; 1 мг O₂ или 4 мг КМnO₄ соответствуют 21 мг органического вещества. В питьевых водах окисляемость не должна превышать 10 мг/л КМnO₄.

Бактериологические свойства подземных вод обусловливаются наличием в них микроорганизмов, в том числе, возможно, и патогенных. В пробах воды обнаруживается от сотен до миллионов бактерий в 1 см³. О бактериологической загрязненности воды судят по коли-титру — объему воды в кубических сантиметрах, в котором содержится одна кишечная палочка, и по коли-тесту — количеству кишечных палочек в 1 л воды.

Физические свойства

При гидрогеологических исследованиях определяются следующие главнейшие физические свойства подземных вод: температура, цвет, прозрачность, вкус, запах и удельный вес.

Температура подземных вод изменяется в широких пределах. В высокогорных районах и в области распространения многолетней мерзлоты она низкая; высокоминерализованные воды местами имеют даже отрицательную температуру (—5° С и ниже). В районах молодой вулканической деятельности, а также в местах выходов гейзеров (Камчатка, Исландия и др.) температура воды иногда превышает 100° С. Температура неглубоко залегающих подземных вод. В средних широтах обычно изменяется в пределах 5-12° С и обусловливается местными климатическими (в основном) и гидрогеологическими условиями.

При гидрогеологических исследованиях температуру подземных вод измеряют непосредственно в источнике, колодце или скважине. Для измерения применяют ленивые термометры, шарик у которых обернут теплоизолирующим материалом (ватой, шерстью и т. п.). При замерах температуры воды в глубоких скважинах помимо-обычных термометров используют электротермометры и термоэлементы.

Цвет подземных вод зависит от имеющихся в них механических или органических примесей. Желтоватый и буроватый цвета воде придают органические примеси; закисные соединения железа и сероводород придают ей зеленовато-голубую окраску. В большинстве своем подземные воды бесцветны. Цвет воды определяют в градусах путем сравнения с эталоном цветности. Удовлетворительной считается вода с цветностью не свыше 20°.

Прозрачность подземных вод зависит от содержания механических примесей, коллоидов и органических веществ. Прозрачность определяют при помощи цилиндра высотой 30-40 см, который ставят на специальный шрифт, затем через кран выпускают воду из цилиндра до тех пор, пока через оставшийся слой воды не будет ясно виден этот шрифт. Высота оставшегося столба воды в сантиметрах и определяет степень прозрачности воды. Удовлетворительной считается вода при слое ее не менее 30 см.

Вкус подземной воде придают растворенные минеральные вещества, газы и примеси. Хлористый натрий придает ей сладковатый вкус при содержании до 500 мг/л и соленый при содержании более 600 мг.л, сульфаты магния — горький, соли железа — терпкий, органические вещества — сладковатый, гидрокарбонаты кальция и магния, а также свободная углекислота — приятный освежающий вкус. Слабоминерализованные дождевые воды имеют неприятный вкус. Вкус определяется по воде, подогретой до 20-30° С. Следует иметь в виду, что вкусовые ощущения субъективны.

Запах в подземных водах обычно отсутствует. Однако иногда подземная вода имеет запах тухлых яиц (наличие сероводорода), «болотный» запах, гнилостный, запах плесени и др. Питьевая вода не должна иметь запаха. Для точного определения запаха воду подогревают до температуры 40-50° С. Интенсивность запаха оценивается по пятибалльной шкале.

Удельный вес воды примерно характеризует ее минерализацию, выражаемую в градусах Боме; один градус Боме соответствует 1% весового содержания в воде хлористого натрия. Ориентировочное определение удельного веса воды проводят при помощи солемера, точнее — с помощью пикнометра.