Химический состав поверхностных и подземных вод

Оценка степени интенсивности вовлечения элементов в водную миграцию дополняет представление о выносе растворенных масс элементов. Интенсивность водной миграции элемента определяется отношением его содержания в воде и в дренируемой горной породе. Коэффициент водной миграции КВ представляет собой отношение концентраций элемента в сухом остатке воды к его концентрации в горной породе. Для оценки интенсивности вовлечения элемента в водную миграцию в глобальном масштабе, следует рассчитать отношение среднего содержания элемента в твердом остатке речных вод к кларку этого же элемента в гранитном слое континентов.

По интенсивности вовлечения в водную миграцию элементы разбиваются на следующие группы (в последовательности уменьшения числового значения КВ в каждом ряду):

КВ = 100n: Cl;

КВ = 10n: S, I, Br, Ag, Sb, Hg, B, Cd;

КВ = n: As, Mo, Ca, Zn, Sr, Cu, Mg, Na, Sn;

КВ = 0,1n: U, Ni, Pb, F, Co, Ba, Cr, P, Mn, Si, V, Zr;

КВ = 0,01n: Ga, Th, Al, Ti, Sc

Исследованиями установлено, что основная масса рассеянных элементов в речных водах связана с взвесями. Соотношение химических элементов и их масс в веществе, которое мигрирует в речных водах в виде взвесей, обнаруживает существенные отличия при сравнении с веществом, мигрирующим в растворенном состоянии. Это обусловлено специфическими особенностями состава речных взвесей и более чем четырехкратным превышением массы взвесей над массой растворимых соединений в годовом стоке рек.

В речных взвесях преобладают высокодисперсные глинистые частицы, мелкие обломки кварца и сгустки гидроксидов железа, поэтому содержание во взвесях таких элементов, как кремний, алюминий, железо намного выше, чем в сумме растворимых соединений в речной воде. Во взвешенном веществе в целом концентрации большей части элементов превышают соответствующие концентрации в сумме растворимых соединений. Однако для кальция характерно обратное соотношение.

Во взвешенном веществе рек переносится свыше 98 % массы элементов с очень низкими коэффициентами водной миграции (КВ < 0,5), от 90 до 98 % массы элементов со значениями КВ от 0,05 до 0,9. Даже элементы, имеющие значения КВ от 1 до 10, мигрируют в основном не в растворенном состоянии. Преобладание в речном стоке масс водорастворимых соединений имеет место лишь для азота, брома, кальция, натрия, серы, хлора.

 

5. Химический состав подземных вод. Минеральные воды.

Состав подземных вод зависит от их происхождения, а также от степени и характера водообмена и взаимодействия с горными породами по которым они протекают. В процессе движения подземных вод происходят выщелачивание горных пород или включений в них и обогащение вод минеральными солями. Общую минерализацию подземных вод составляет сумма растворенных в них веществ. Она обычно выражается в г/л или мг/л. В глубинных водах (в погруженных частях структур) в условиях затрудненного водообмена происходят наибольшая концентрация растворенных веществ и значительное увеличение общей минерализации. К настоящему времени опубликовано много классификаций подземных вод по их минерализации и химическому составу. В классификации В. И. Вернадского, О. А. Алексина, А.М. Овчинникова и других выделяются четыре группы подземных вод:

пресные - с общей минерализацией до 1 г/л;

солоноватые - от 1 до 10 г/л;

соленые - от 10 до 50 г/л;

рассолы - свыше 50 г/л.

В классификации М. С. Гуревича и Н. И. Толстихина приводится более дробное разделение указанных групп исходя из учета потребностей и использования подземных вод для решения различных задач.

Отнесение к пресным водам обусловлено нормами ГОСТа. Слабосолоноватые воды могут использоваться для нецентрализованного водоснабжения, орошения; соленые – для оценки минеральных (лечебных) вод. Выделение подгрупп рассолов необходимо для правильной оценки термальных, промышленных подземных вод и вод нефтяных месторождений.

Основной химический состав подземных вод определяется содержанием наиболее распространенных трех анионов – НСО3-, SO42-, Сl- и трех катионов – Са2+, Mg2+, Na+. Соотношение указанных шести элементов определяет основные свойства подземных вод – щелочность, соленость и жесткость. По анионам выделяют три типа воды:

1) гидрокарбонатные;

2) сульфатные;

3) хлоридные;

и ряд промежуточных – гидрокарбонатно-сульфатные, сульфатно-хлоридные, хлоридно-сульфатные и более сложного состава. По соотношению c катионами они могут быть кальциевыми или магниевыми, или натриевыми, или смешанными кальциево-магниевыми, кальциево-магниево-натриевыми и др. При характеристике гидрохимических типов на первое место ставится преобладающий анион. Так, например, пресные воды в большинстве случаев гидрокарбонатно-кальциевые или гидрокарбонатно-кальциево-магниевые, а солоноватые – могут быть сульфатно-кальциево-магниевыми.

В артезианских бассейнах наблюдается определенная вертикальная гидрогеохимическая зональность, связанная с различными гидродинамическими особенностями:

- верхняя зона – интенсивного водообмена,

- средняя – замедленного водообмена,

- самая нижняя (наиболее глубокая) – весьма замедленного водообмена.

Впервые на гидрогеохимическую зональность и увеличение минерализации подземных вод, и снижение их подвижности с глубиной указал В. И. Вернадский. По Е. В. Посохову (1975), верхняя часть артезианских бассейнов платформ имеет относительно небольшую мощность. Так, например, в Московском артезианском бассейне пресные воды встречаются до глубин 200-300 м, в Днепровско-Донецком – до 500 м. Ниже располагается относительно маломощная гидрогеохимическая зона солоноватых и слабосоленых вод многокомпонентного состава, в которых большая роль принадлежит иону SO42-. Примером тому являются сульфатные кальциево-натриевые воды с минерализацией до 4,5 г/л, вскрытые буровыми скважинами в девонских отложениях Московского артезианского бассейна (на глубинах 400-600 м) и используемые в качестве лечебной «Московской минеральной воды». В более глубокой третьей гидрогеохимической зоне преобладают хлоридные воды с минерализацией 250-350 г/л и более (в Ангаро-Ленском бассейне около 600 г/л).

По мере значительного увеличения минерализации с глубиной в хлоридно-натриевых рассолах наблюдается рост содержания иона Са2+ и в наиболее погруженных частях бассейна встречаются хлоридно-кальциевые или хлоридно-кальциево-магниево-натриевые рассолы, что имеет большое значение для нефтяной гидрогеологии. В глубоких водоносных горизонтах с высокой минерализацией, помимо основных анионов и катионов, нередко содержатся йод, бром, бор, стронций, литий, радиоактивные элементы. Особенно большое количество йода, брома и бора встречается в хлоридно-кальциевых водах нефтяных и газовых месторождений, где они местами извлекаются в промышленных количествах.

Указанная гидрогеохимическая зональность характерна для ряда артезианских бассейнов. Вместе с тем в некоторых бассейнах (Западно-Сибирском, Брестском и др.) сульфатная зона отсутствует, и пресные гидрокарбонатные воды верхней зоны постепенно сменяются хлоридными. По-видимому, та или иная гидрогеохимическая зональность артезианских бассейнов определяется рядом природных факторов: историей развития геологической структуры; условиями водообмена; составом и степенью растворимости водоносных горных пород; соотношением давления и температуры; газовыми компонентами. Именно взаимодействие различных природных факторов и определяет изменение минерализации и состава подземных вод в артезианских бассейнах.

Отмечается также широтная зональность грунтовых вод, связанная с изменениями климатических условий и степени расчлененности рельефа при движении с севера на юг. Г.Н. Каменский, исходя из указанных факторов и особенностей формирования грунтовых вод и их химического состава, выделил на территории бывшего СССР две зоны:

1. Зона вод выщелачивания (и выноса солей), приуроченная  к гумидным областям (областям  избыточного увлажнения) с невысокими  положительными среднегодовыми  температурами. Грунтовые воды выщелачивания  формируются в условиях преобладания подземного стока над испарением. По мере движения с севера на юг изменяются глубина залегания грунтовых вод и их минерализация от очень пресных (больше 0,2 г/л) к пресным (до 1 г/л) и солоноватым (больше 1 г/л) в более южных районах.

2. Зона вод континентального  засоления, приуроченная к аридным (засушливым) областям (сухие степи, полупустыни и пустыни), где выпадает  малое количество атмосферных  осадков, сравнительно высокие температуры  и испаряемость. Следовательно, в  этой зоне низка величина инфильтрационного питания грунтовых вод по сравнению с высокой испаряемостью, что определяет и низкую величину подземного стока. В этой зоне развиты преимущественно солоноватые и соленые воды, доходящие местами до рассолов.

Аналогичная классификация приводится И.К. Зайцевым и М.П. Распоповым, где, помимо широтной зональности грунтовых вод в пределах равнинных территорий, отмечается высотная зональность воды горных областей.

Для глубинных зон земной коры характерны минеральные воды. Минеральные воды – это воды, содержащие в себе ряд химических компонентов, с минерализацией свыше 1 г/л и выше. Минеральная вода является своего рода природным лекарством.

Лечебными минеральными водами называются природные воды, которые содержат в повышенных концентрациях те или другие минеральные, реже органические компоненты и газы. И обладают какими-нибудь физическими свойствами (радиоактивность, реакция среды и др.), благодаря чему эти воды оказывают на организм человека лечебное действие в той или иной степени, которое отличается от действия «пресной» воды. На базе месторождений минеральных вод, построены курорты, санатории, заводы по разливу минеральных вод.

Существует множество легенд о том, что завидное долголетие у некоторых народов связано не только с их образом жизни или питанием, а главным образом с той водой, которую они потребляют. Литературные памятники Месопотамии, датированные III тыс. до нашей эры, донесли до нас первые упоминания о целебных свойствах минеральной воды. Ученые древности предпринимали научные изучения, чтобы объяснить уникальные свойства минеральных вод. Первая попытка классифицировать минеральные воды по составу принадлежит греческому ученому Архигену жившему в II в. н. э. Он разделял четыре вида воды: aquaenitrose, aluminose, saline и sulfurose (щелочные, железистые, соленые и сернистые)5. Сенека выделял воды серные, железные, квасцовые и считал, что вкус указывает на их свойства. Свойства минеральной воды также изучали великие врачи древнего мира, как Гиппократ и Гален. В трудах Гиппократа говорится о профилактическом и лечебном использовании воды.

Классификация минеральных вод:

По химическому составу минеральная вода бывает:

- гидрокарбонатной;

- хлоридной;

- сульфатной.

По содержанию дополнительного действующего вещества минеральную воду подразделяют на:

- гидрокарбонатные;

- сульфатные;

- хлоридные;

- бромсодержащие;

- железистые;

- мышьякосодержащие;

- йодосодержащие;

- кремнистые;

- борные;

- сероводородные;

- радоновые;

- воды с повышенным содержанием органических веществ.

Процесс образования минеральной воды весьма сложен и ещё недостаточно изучен. При характеристике генезиса минеральной воды различают происхождение самой подземной воды, присутствующих в ней газов и образование её ионно-солевого состава.

Минеральные воды оказывают на организм человека лечебное действие всем комплексом растворённых в них веществ, а наличие специфических биологически активных компонентов (CO2, H2S, As и др.) и особых свойств определяет часто методы их лечебного использования.

В качестве основных критериев оценки лечебностиминеральных вод в советской курортологии приняты особенности их химического состава и физических свойства, которые одновременно служат важнейшими показателями для их классификации.

Некоторые минеральные воды применяют в качестве освежающего, хорошо утоляющего жажду столового напитка, способствующего повышению аппетита и употребляемого вместо пресной воды, без каких-либо медицинских показаний.

В ряде районов обычная питьевая вода достаточно сильно минерализована и вполне обосновано употребление её в качестве столового напитка. Можно использовать в качестве столовых минеральные воды хлоридно-натриевого типа с минерализацией не выше 4-4,5 г/л (для гидрокарбонатных вод – около 6 г/л).

 

Заключение

Вода играет немаловажную роль в формировании географической оболочки. Реки и подземные воды, перемещая минеральные вещества, участвуют в изменении рельефа. Частицы горных пород высоко поднимаются в атмосферу при извержении вулканов, сильных ветрах. Много солей содержится в гидросфере.

Вода и минеральные вещества входят в состав всех живых организмов, которые существуют в гидросфере и в атмосфере. Живые организмы, отмирая, образуют огромные толщи горных пород органического происхождения.

Вода необходима практически всем отраслям промышленности.

Основной потребитель пресной воды – сельское хозяйство: она идет на мелиорацию, обслуживание животноводческих комплексов и т.п.

Подземные воды питаю реки и озера, благодаря им реки не мелеют летом, когда выпадает мало дождей, и не пересыхают подо льдом. Человек широко использует подземные воды: их выкачивают из-под земли для водоснабжения жителей городов и деревень, для нужд промышленности и для орошения сельскохозяйственных угодий.

Вода участвует в формировании литосферы. Биосферная роль воды состоит в том, что она участвуют в круговороте веществ и потоке энергии в биосфере.

На современном этапе проблема охраны и рационального использования водных ресурсов является одной из самых важных, так как данный вид природных ресурсов относится к медленно возобновляемым.

 

 

Список использованной литературы

1. Торошечников М.С., Радионов А.И., Кельцев Н.В. и др. Техника защиты окружающей среды: Учеб. пособие для вузов. - М.: Химия, 1981. - 368с.