гидрогеохимия. 1. введение Предмет и задачи гидрогеохимии, её место среди других наук, структура, основные этапы развития. Области применения гидрогеохимических данных

• Название: 1. введение Предмет и задачи гидрогеохимии, её место среди других наук, структура, основные этапы развития. Области применения гидрогеохимических данных
• Дата: 27.09.2022
• Размер: 395 Kb.
• Имя файла: гидрогеохимия.doc
• Тип: Документы; #699162
• страница: 6 из 7

Факторы формирования состава подземных вод

Все факторы формирования состава подземных вод можно разделить на физико–географические, геологические, физико–химические, физические, биологические и искусственные.

Физико–географические факторы включают рельеф, гидрологию, климат и выветривание.

Рельеф оказывает влияние на водообмен, от которого зависят минерализация и состав подземных вод. При прочих равных условиях, чем сильнее расчленён рельеф, тем благоприятнее возможности для появления пресных подземных вод. На приподнятых участках бассейнов, где породы хорошо промываются, подземные воды имеют относительно низкую минерализацию и в основном гидрокарбонатный состав: в пониженных частях, куда направлен сток солей с возвышенностей, минерализация повышается, в водах увеличивается концентрация сульфатов и хлоридов. Отмечается довольно устойчивая зависимость концентрации железа в неглубокозалегающих подземных водах Беларуси от рельефа. Этот вопрос изучался в связи с тем, что в Беларуси подземные воды четвертичных отложений очень часто содержат железа, много больше, чем его предельно допустимая концентрация, и стояла задача, наметить расположение скважин для водоснабжения, из которых можно было бы получить воду с минимальным содержанием железа. Оказалось, что на возвышенных участках железа в водах меньше, чем в понижениях рельефа.

Гидрологический фактор(гидрология)воздействует на подземные воды прежде всего через гидрографическую сеть, которая влияет на водообмен. Густая гидрографическая сеть с глубоким эрозионным врезом способствует водообмену в водоносных горизонтах, выносу солей и формированию пресных подземных вод. При редкой гидрографической сети и неглубоком её врезе подземный сток затруднён, что вызывает повышение минерализации подземных вод. Это — косвенное влияние гидрографической сети на состав подземных вод. В тех же случаях, когда питание водоносных горизонтов осуществляется за счёт вод рек и озёр, влияние гидрологического фактора прямое и определяющее. В средней полосе это особенно ярко проявляется во время паводков, а в пустынях реки (например, Амударья, Сырдарья) могут питать подземные воды в течение всего года. Океаны и моря выступают в качестве ведущего фактора при трансгрессиях. При этом, в накапливающихся осадочных отложениях захороняются минерализованные воды, т.е. моря в “готовом” виде передают подземным водам соли.

Климат может считаться одним из главнейших прямых факторов формирования состава подземных вод. Среди множества климатических элементов к первостепенным относятся атмосферные осадки, температура и испарений. Атмосферные осадки формируют ресурсы подземных вод, передают им соли (хотя и весьма небольшое количество, но в “готовом виде”). Общее количество метеорной влаги, ежегодно поступающей на поверхность суши, более 110 км³. Эта вода способна покрыть земной шар слоем толщиной 834 мм. Конечно, не все атмосферные осадки участвуют в питании подземных вод, а только их десятая часть. В недра земли проникают, главным образом, осадки, выпадающие в умеренных широтах весной, летом или осенью. В условиях сухого климата атмосферные осадки могут быстро испаряться и не достигать поверхности грунтовых вод. Проникновение атмосферной воды в недра затруднено также в условиях сезонной или вечной мерзлоты.

Испарение, которое зависит от температуры воздуха, наиболее действенно в зоне недостаточного увлажнения. Здесь оно обусловливает концентрированно солей в водах. Испарение имеет место не только на поверхности земли. На изменение состава грунтовых вод сильносказывается так называемое внутрипородное испарение, в процессе которого происходит отрыв молекул водяного пара от зеркала грунтовых вод.

К ведущим физико–географическим факторам формирования состава подземных вод относитсявыветривание— явление, протекающее на/и вблизи поверхности и напрямую связанное с климатом (по англ. weathering от weather — погода). Совокупность процессов физического, химического и биохимического разрушения минералов и горных пород, называемая выветриванием, приводит к обогащению подземных вод различными соединениями. Выветривание выступает, главным образом, как процесс перевода вещества в раствор. В результате выветривания из пород выносятся и попадают в подземную воду в первую очередь наиболее растворимые соединения. Интересно, что если мы возьмём большое число анализов химического состава пресных подземных вод песчано–глинистой четвертичной толщи Беларуси и рассчитаем среднюю минерализацию этих вод для северной и южной частей республики, то большее значение получим для северных районов. Это связано с тем, что на севере четвертичные отложения более молодые, чем на юге. На севере они сформированы в результате деятельности последнего (валдайского) оледенения, которое не распространялось в южную часть Беларуси. В более молодых, менее выветрелых, породах больше сохранилось неустойчивых компонентом (полевые шпаты, темноцветные минералы), которые в настоящее время разрушаются и, тем самым, обогащают воду различными соединениями. В более древних породах основная масса неустойчивых компонентов уже разрушена и удалена в ходе многократного водообмена. Таким образом, роль выветривания в формировании состава подземных вод обнаруживается даже для совсем молодых и слаборастворимых алюмосиликатных отложений.

Геологические факторы. К этим факторам относятся геологическая структура, тектонические движения, вещественный состав пород, магматизм и газовый фактор.

Геологическая структураопределяет динамичность, а вместе с ней минерализацию и состав подземных вод. Значение геолого–структурных форм в распределении подземных вод по минерализации и составу наглядно проявляется при сравнении структурных элементов по раскрытости, проточности, промытости или интенсивности водообмена. Подземные воды закрытых структурных элементов бывают наиболее минерализованными, а по составу преимущественно хлоридными натриевыми или кальциевыми. В раскрытых структурных элементах подземные воды наименее минерализованы и имеют обычно гидрокарбонатный кальциевый состав.

Тектонические движенияпринято делить на колебательные, складчатые (или пликативные) и разрывные (или дизъюнктивные). Колебательные движения положительного знака могут вызывать опреснение подземных вод на приподнятых участках суши, так как эти участки могут выводиться в сферу действия атмогенных вод. В результате отрицательных движений зона пресных подземных вод погружается и в ней становится возможным засоление благодаря тому, что отрицательные движения сопровождаются морскими трансгрессиями и вовлечением морских вод в недра.

Складчатые и разрывные тектонические движения резко нарушают установившиеся гидрогеохимические условия. Горные страны, претерпевшие активные складчатые и разрывные движения, оказываются глубоко промытыми пресными водами. Разрывные нарушения, т.е. тектонические разломы служат путями разгрузки подземных вод, каналами для гидравлической связи между водоносными горизонтами, способствующими смешению подземных вод различного состава, зонами, где в результате резкого перепада давления возможно отложение минералом из подземных вод и, как следствие, изменение состава последних.

Вещественный состав пород. Если геологическая структура и тектонические движения относятся к косвенным факторам формирования состава подземных вод, то горные породы и минералы непосредственно формируют вещество подземной гидросферы. Вещественный состав пород — прямой фактор первостепенного значения, на что указывали ещё Аристотель и Плиний Старший, которые говорили, что вода такова, каковы породы, по которым она протекает. Надо, конечно, отметить, что эта связь между составом вод и пород не такая простая, как представлялось древним. Влияние состава пород на состав подземных вод особенно ярко заметно, когда пресная вода взаимодействует с легкорастворимыми минералами и породами: галитом, гипсом, доломитом, известняком. Галит даёт хлоридные натриевые воды, гипс — сульфатные кальциевые, доломит — гидрокарбонатные магниево–кальциевые, известняк — гидрокарбонатные кальциевые. Однако, такие же гидрокарбонатные воды, как в известняках, могут залегать и очень часто залегают в кварцево–полевошпатовых песках. В этом случае ионы Са²⁺ и НСО₃^– появляются в водах за счёт углекислого выветривания полевых шпатов, в то время как в известняках — за счёт растворения кальцита (СаСО₃).

Вещественный состав всегда влияет на состав подземных вод. Надо только уметь увидеть это влияние. В так называемых межсолевых отложениях девона Припятского прогиба по всей его территории залегают однотипные хлоридные кальциевые и натриевые рассолы. Однако в рассолах южной части прогиба существенно меньше калия, чем в рассолах северной части. Это связано с тем, что межсолевая толща южной части имеет терригенный (песчано–глинистый) состав, а северной — карбонатный. В терригенных породах на глубинах, начиная с 2–3 км, активно протекает процесс новообразования глинистого минерала — гидрослюды, для постройки кристаллической решётки которой необходимый калий извлекается из подземных рассолов.

Существуют и другие формы проявления влияния состава пород на состав и минерализацию подземных вод. Так, наиболее минерализованные рассолы (320–600 г/л) встречаются только в тех толщах, выше которых залегают формации каменной и калийной солей. Когда же на месте этих хлоридных солей присутствуют гипсы и ангидриты, минерализация рассолов под ними обычно не превышает 260 г/л. Это связано с тем, что в осадочных комплексах, залегающих под соляными породами, гипсами и ангидритами (в целом эти породы называются эвапоритами), содержатся подземные рассолы, которые представляют собой преобразованные материнские рассолы (рапу) вышележащих солеродных (или эвапоритовых) бассейнов. Эти материнские рассолы проникают в подстилающие отложения путём гравитационного стекания или отжима из эвапоритовых отложений. Но поскольку эвапоритовые минералы в ходе сгущения морской воды в солеродном бассейне осаждаются при определённой минерализации рассола (например, гипс (CaSO₄ · 2Н₂О), начиная со 140 г/л, галит (NaCl) — с 260–280 г/л, сильвин (KCl) — с 350–360 г/л), то в зависимости от того, какими минералами (породами) представлена эвапоритовая толща, будет и минерализация подземных рассолов под этой толщей. Здесь мы мимоходом коснулись одного грандиозного процесса, имеющего место на Земле, — эвапоритового процесса или галогенеза. Он обычно не выделяется в качестве фактора формирования состава подземный вод, потому что может быть представлен более простыми физико–географическими факторами: гидрологией, климатом, рельефом. Однако надо иметь в виду, что площадь распространения только солевых (без учёта гипсо–ангидритовых) отложений достигает 34 % территории континентального блока Земли. Эвапориты есть во всех геологических системах от докембрия до антропогена. Поэтому галогенез играет огромную роль в формировании состава подземных вод: как посредством растворения водой эвапоритовых пород, так и посредством вовлечения в недра огромных количеств рассолов, образующихся на поверхности Земли при испарительном концентрировании.

Говоря о вещественном составе пород как о факторе формирования подземных вод, важно подчеркнуть, что понимается под этим термином “вещественный состав пород”. До сих пор, говоря о вещественном составе пород, мы делали упор на минералогический состав пород, т.е. на набор основных минералов, из которых состоит порода. Однако при взаимодействии породы с водой, например, при растворении, в жидкую фазу будут поступать не только химические элементы из породообразующих и второстепенных (акцессорных) минералов, но также адсорбированные ионы, находящиеся в поглощённом комплексе пород, а также так называемые поровые растворы, содержащиеся в породе. Всё это вместе — твёрдые минералы, адсорбированные ионы и поровые растворы — называют ионно–солевым комплексом пород. С комплексом понятий, связанных с явлением сорбции, мы познакомимся дальше — при рассмотрении процессов формирования подземных вод, а понятие “поровые растворы” разберём, когда будем обсуждать вопрос о палеогидрогеохимических реконструкциях,

Вернёмся к факторам формирования подземных вод. Из геологических факторов нам осталось рассмотреть магматизм и газовый фактор.

Магматизм. Роль этого фактора в формировании состава подземных вод до сих пор является проблематичной. Одни исследователи считают этот фактор в ряде случаев ведущим, другими — он полностью отвергается. Это объясняется слабой изученностью летучих веществ, выделяющихся при дифференциации магмы. Сложность вопроса заключается и в том, что элементы, характерные для магматических эксгаляций, могут попасть в подземные воды и другими путями.

Газовый фактор оказывает большое влияние на иконно–солевой состав подземных вод. Достаточно сказать, что увеличение содержания газов, растворённых в воде, влияет на растворяющую способность воды. Так, повышение концентрации растворённого СО₂ в воде приводит к увеличению растворимости кальцита и кварца, что, естественно, может приводить к изменению состава воды.

Физико–химические факторы. К этим факторам относятся химические свойства элементов, растворимость химических соединений, кислотно–щелочные и окислительно–восстановительные условия.

Химические свойства элементов. Они определяют способность образовывать природные соединения. К числу важнейших физико–химических свойств относятся ионный радиус и валентность иона. Ионный радиус в значительной степени характеризует подвижность химического элемента. В принципе, чем он меньше, тем подвижнее гидратированные ионы.

Миграционную способность определяет также валентность иона. Для металлов с ростом валентности наблюдается образование менее растворимых соединений. Одновалентные металлы дают обычно легкорастворимые соединения (NaCl, Na₂SO₄, K₂CO₃). Слабее растворимы соединения двухвалентных металлов (СаSO₄, СаСО₃, МдСО₃) и ещё менее — трёхвалентных (Fе³⁺ и Аl³⁺). Существуют, конечно, исключения из этих закономерностей.

Растворимость химических соединений относится к прямым факторам формирования состава подземных вод. Нет необходимости долго обосновывать этот тезис. Для пресных вод характерно преобладание гидрокарбоната, поскольку именно этот анион образует с кальцием слаборастворимую соль. По мере повышения минерализации появляется сульфатный ион, характерный для солёных вод. Однако из–за сравнительно невысокой растворимости сульфат кальция быстро уступает первенство сульфату натрия или магния, а чаще хлоридам, которые со всеми основными катионами образуют легкорастворимые соли. Самые высококонцентрированные рассолы по составу преобладающих солей относятся к хлоридным магниевым или кальциевым, так как СаСl₂ и МgСl₂ чрезвычайно легко растворимы.

Кислотно–щелочные и окислительно–восстановительные условия, которые мы уже рассматривали ранее, регулируют миграцию химических элементов в подземных водах, так как от рН и Eh зависит растворимость минералов и формы нахождения элементов в растворе (в виде ионов, тех или иных комплексных соединений).

Физические факторы. В круг физических факторов формирования состава подземных вод входят температура, давление и время.

Температура — ведущий фактор, от которого зависит равновесие в системе вода – порода – газ. Температура сильно влияет на растворяющую способность подземных вод и скорость химических реакций. Растворимость большинства солей по мере роста температуры увеличивается, реже (например, CaCO₃) снижается.

В пределах изученных глубин земной коры температура подземных вод изменяется от –16 °С (концентрированные рассолы вечномерзлых пород) до +400 °С (парогидротермы очагов современного вулканизма). Температура определяет фазовые переходы воды в твёрдое и парообразное состояние. При температуре более 75 °С замирает деятельность микроорганизмов. Изменение температуры сказывается на вязкости воды. Все эти изменения, происходящие в воде и с водой, влияют на формирование её химического состава.

Давление — фактор формирования состава вод первостепенной важности. Этот фактор имеет ряд проявлений. Гидростатическое давление определяет темп водообмена, скорость движения воды, а значит и состав. Геостатическое давление обусловливает сложный комплекс процессов, связанных с отжимом растворов из пор глинистых пород в коллекторы, и, таким образом, также через динамику растворов влияет на состав. Наконец, давление влияет на растворимость пород и минералов. Этот вопрос изучен недостаточно, однако для ряда минералов (гипс, ангидрит, минералы кремнезёма) давление увеличивает растворимость.

Неотъемлемый фактор формирования состава подземных вод — время. Время — это скорость химических реакций, это продолжительность взаимодействия в системе вода – порода – газ, это возраст отложений, вмещающих подземные воды, это возраст самих подземных вод, наконец, это геологическая история.

Биологические факторы. С точки зрения влияния этих факторов на состав подземных вод важна вся совокупность живых организмов, которую В.И. Вернадский назвал живым веществом. То пространство, где проявляется деятельность живого вещества — это своеобразная оболочка Земли — биосфера. Биосфера охватывает наземную гидросферу, верхнюю часть литосферы и нижнюю часть атмосферы. В земной коре нижняя граница биосферы отвечает температуре 75–100 °С — критической для развития бактерий. Бактерии распространены до глубины 4 км и переносят давления до 3–4 тыс. атм.

Животные и растения воздействуют на состав подземных вод, главным образом, через микроорганизмы. По мере отмирания животные и особенно растения отдают почве минеральные вещества, которые затем поступают в подземные воды. Влияние деятельности растений на состав подземных вод проявляется и в том, что растения аккумулируют огромное количество влаги, избирательно поглощают химические компоненты из подземных вод.

Искусственные факторы. Существо искусственных факторов формирования состава подземных вод заключается в производственной деятельности человека. Приведём далеко не полный перечень искусственных факторов. Это нарушение естественного режима подземных вод, вызванное разработкой полезных ископаемых, гидротехническим строительством, мелиорацией, эксплуатацией водоносных горизонтов для целей водоснабжения, а также сброс в недра загрязнённых стоков, попадание в водоносные горизонты продуктов атомных взрывов и распыляемых ядохимикатов. В качестве примеров рассмотрим действие некоторых искусственных факторов несколько подробнее.

Из недр Земли ежегодно извлекается масса химических соединений (NaCl, СаSO₄, CaCO₃, металлы, нефть и т.д.). Помимо нарушения естественного баланса в системе порода – вода это ведёт к проникновению в недра большого количества воздушного кислорода, т.е. к процессам окисления, что вызывает неизбежный переход дополнительных веществ в подземные воды. Глубина окисляющего воздействия порой достигает нескольких километров (например, на нефтегазовых промыслах, где для поддержания давления при добыче углеводородов в глубокие горизонты закачиваются целые реки воды).

Гидротехническое строительство вызывает перераспределения подземного стока и изменение геохимического режима подземных вод. При создании водохранилища Братской ГЭС в прибрежным карбонатных массивах произошло опреснение подземных вод, что резко усилило процессы карстообразования.

Об искусственных факторах формирования состава подземных вод можно говорить очень много. Но и сказанного, по–видимому, достаточно, чтобы стало ясно, насколько остро стоит в наше время проблема чистой воды.
Процессы формирования химического состава подземных вод.

Прежде, чем начать рассмотрение собственно геологических процессов формирования состава подземных вод, кратко коснёмся основных физических аспектов массопереноса в подземной гидросфере. Перенос вещества подземных вод осуществляется двумя путями: диффузией и конвекцией.

Диффузия — это перераспределение вещества в какой–либо среде, вызванное тепловым движением молекул. В подземной гидросфере диффузия приводит к выравниванию концентрации растворённого вещества. В зависимости от движущей силы различают бародиффузию, термодиффузию и концентрационную диффузию. При любом из названных видов диффузии перенос вещества происходит молекулярными потоками. Чисто диффузионные процессы свойственны покоящимся средам.

Сущность бародиффузии заключается в разделении вещества растворов по молекулярному весу, в результате чего происходит перемещение более тяжёлых молекул сверху вниз под влиянием градиента геогравитационного поля.

При термодиффузии движущей силой служит градиент температуры: частицы диффундируют в область менее высоких температур. В бассейнах подземных вод градиенты геогравитационного и геотермического полей незначительны, поэтому баро– и термодиффузия не оказывают заметного влияния на перенос вещества подземных вод. Тем более, что оба процесса направлены противоположно друг другу.

Гораздо шире пределы изменения градиентов концентрации, что заставляет считать одним из основных механизмов молекулярно–диффузионного переноса вещества в подземной гидросфере концентрационную диффузию. Перемещение вещества в растворе направлено в сторону понижения концентрации и приводит к однородному распределению вещества в системе.

Надо отметить, что в подземных водах, наряду с растворённым веществом, могут диффундировать и частицы самой воды. Такой вид диффузии называется самодиффузией. Процесс самодиффузии происходит в отсутствие градиентов концентрации.

Конвекция — это массоперенос в движущемся потоке. Если диффузия происходит в покоящихся средах, то необходимым условием конвекции является подвижность самой среды. Различается естественная и вынужденная конвекция.

В случае естественной конвекции перемещение вещества происходит под влиянием градиента температуры и вызванного им различия в плотности среды. Так, по механизму естественной конвекции в зонах тектонических разломов осуществляются нисходящее движение тяжёлых холодных вод и восходящий поток лёгких нагретых струй из глубоких горизонтов земной коры. Процесс естественной конвекции типичен для наземных водоёмов, в которых охлаждающиеся на поверхности массы воды в зимнее время погружаются на дно, В бассейнах подземных вод естественная конвекция затруднена наличием водоупорных горизонтов. Она здесь может играть существенную роль только в очень хорошо проницаемых однородно–пористых или трещинных системах. Поскольку такие системы в реальных условиях достаточно редки, естественная конвекция не может рассматриваться как региональный процесс массопереноса.

Решающее значение в массопереносе в подземной гидросфере имеет вынужденная конвекция, которая происходит под действием внешних сил и сводится к хорошо известному вам процессу фильтрации, движущей силой которого служит напорный градиент. Напомню, что напор может иметь гидростатическую природу (главным образом, при негоризонтальности уровней подземных вод в инфильтрационных системах) и геостатическую (отжим растворов из уплотняющихся отложений в элизионных системах). Массоперенос, вызванный фильтрацией, сочетает механическое и диффузионное перемещение вещества. Такой вид массопереноса называют либо конвективной диффузией, либо гидравлической дисперсией. Гидравлическая дисперсия наблюдается всюду, где имеются: 1) градиенты напора, обеспечивающие макроскопические потоки жидкости, и 2) градиен­ты концентрации растворённых веществ, благодаря которым возникают молекулярные потоки. Поэтому в бассейнах подземным вод, где есть фильтрация подземных вод и где в разрезе имеются различные по минерализации воды (а таким условиям отвечает большинство бассейнов), перенос вещества происходит, главным образом, по механизму гидравлической дисперсии. В глубоких зонах бассейнов, где фильтрация затруднена, на первый план выходит диффузионный массоперенос.

Итогом конвективной диффузии является смешение вод различного состава и разной минерализации, важный процесс формирования состава вод. Как показал А.Н. Огильви ещё в 1923 г., при смешении пресной и минерализованной вод получается серия промежуточных по составу вод. Состав получающихся вод описывается уравнениями прямой: у = ax + b, где х и у — содержания двух каких–либо составных частей в данном объёме воды, а и b — постоянные параметры, общие для всей группы вод, получаемых при смешении. Процесс смешения изменяет состав воды и может провоцировать как усиление растворения вмещающих пород, так и его ослабление вплоть до выпадения соединений из растворов. С этим процессом нередко связана вторичная известковистость, загипсованность и засолённость пород водоносного горизонта.

Обсудив физические основы массопереноса в подземных водах, обратимся непосредственно к процессам формирования состава подземных вод. Они могут быть подразделены на четыре группы: 1) процессы, переводящие вещество в раствор, 2) процессы, выводящие вещество из раствора, 3) процессы, сочетающие воспроизводство и поглощение растворённого вещества, 4) процессы добавления или удаления молекул растворителя.

Эти процессы вызывают метаморфизацию подземных вод, т.е. изменение их состава. Если состав воды изменяется от гидрокарбонатного к сульфатному, а затем к хлоридному, такая метаморфизация называется прямой. Изменение состава в обратном направлении называется обратной метаморфизацией.

Процессы, переводящие вещество в раствор. Ведущие процессы этого типа — растворение и выщелачивание. Рассмотрим эти понятия.

Наиболее простой тип растворения — конгруэнтное растворение. Это процесс полного перехода вещества из твёрдой фазы в жидкую. Такому процессу подвержены хорошо растворимые природные соединения: NaCl, KCl, МgSO₄, СаSO₄, Na₂CO₃ и др. Наряду с ними в земной коре широко распространены трудно растворимые соединения (силикаты, бораты и др.) с инконгруентным характером растворения. При инконгруэнтном растворении происходит не просто отрыв ионов кристаллической решётки твёрдой фазы молекулами воды, но химическое взаимодействие твёрдой фазы с водой. Это по существу гидролиз, т.е. химическое разложение твёрдого вещества водой. При этом на поверхности разрушающейся твёрдой фазы образуются новые труднорастворимые вещества, а в раствор переходят отдельные компоненты растворяющегося соединения. Так, при растворении галита NaCl (конгруэнтный процесс) раствор будет хлоридным натриевым. Но при растворении полевого шпата KAlSi₃O₈ (инконгруэнтный процесс) раствор не будет в полной мере отвечать составу минерала. В последнем случае идёт химическая реакция:

4 KAlSi₃O₈ + 14 H₂O = Al₄[Si₄O₁₀](OH)₈ + 4 КОН + 8 H₂SiO₃.

калиевый каолинит

полевой шпат

На поверхности разрушающегося калиевого полевого шпата образуется каолинит. Обращаю внимание на то, что в составе полевого шпата нет водорода, а в каолините он есть. Это означает, что в данном процессе происходит как бы разложение воды. Водород из воды поглощается изменяющимся полевым шпатом. Оставшиеся в воде ионы гидроксила ОН^– соединяются с переходящим в раствор катионом К⁺. В этом процессе раствор становится более щелочным.

Теперь определим понятие “выщелачивание”. Выщелачивание — это селективное растворение минерала или породы. В том случае, если селективно растворяется минерал, процесс выщелачивания идентичен процессу инконгруэнтного растворения. Действительно, в рассмотренном случае растворения полевого шпата алюминий не переходит в раствор, то есть полевой шпат растворяется селективно, Более часто, однако, термин “'выщелачивание” применяется для обозначения вымывания из породы каких–либо легкорастворимых минералов. Например, песчаник с галитовым цементом при взаимодействии с водой может превратиться в песок после растворения галита (NaCl).

Ход процессов растворения и выщелачивания зависит от растворимости пород и минералов, состава и минерализации подземных вод, скорости фильтрации, температуры, давления и других причин. И растворение, и выщелачивание наиболее активно протекают в подвижной среде, так как в этом случае легко отводятся продукты растворения и может обеспечиваться ненасыщенность воды по отношению к соответствующим соединениям, необходимая для течения процесса.

Активными стимуляторами процессов выщелачивания и растворения являются кислород и углекислота, содержащиеся в подземных водах. Отсюда понятна роль газового состава вод в процессах растворения и выщелачивания. Кислород и углекислый газ способствуют предварительному разложению минералов, трудно доступных простому выщелачиванию. Кислород, растворённый в подземных водах, вызывает, например, окисление сульфидных минералов, в результате чего в подземных водах образуется серная кислота, которая вызывает сернокислотное выщелачивание вмещающих пород с образованием сульфатных кальциевых вод с высоким содержанием металлов (железо, медь, свинец и др.), повышенной минерализацией (3 г/л и более) и низким рН.

Углекислота активизирует переход в раствор вещества алюмосиликатов, например, по рассмотренной выше реакции гидролиза (выщелачивания) полевого шпата. В этом случае говорят об углекислотном выщелачивании. Процессом углекислотного выщелачивания полевых шпатов объясняется формирование гидрокарбонатных вод в терригенных отложениях. Здесь при взаимодействии с водой полевых шпатов образуются, как мы уже отмечали, ионы ОН^–, которые, соединяясь с СО₂, дают ион гидрокарбоната  НСО₃^–.

Процессы, выводящие вещество из раствора. Основными процессами такого рода являются кристаллизация солей и сорбция.

Кристаллизация — это процесс выделения твёрдой фазы из насыщенных растворов. Кристаллизации солей из подземных вод благоприятствует изменение геохимической обстановки, за счёт чего произведение активностей ионов достигает произведения растворимости данной соли (см. выше). К таким изменениям относятся смешение вод, их концентрирование, выделение газов, нарушение кислотно–щелочного и окислительно–восстановительного равновесия, изменения температуры и давления и др. В результате кристаллизации солей в порах, кавернах и трещинах пород водоносного комплекса происходит гидрогенное, или вторичное минералообразование; при этом существенно меняется состав и минерализация подземных вод. Наиболее ярким примером процесса, выводящего вещество из раствора, является галогенез — последовательное выпадение на дно бассейна из испаряющейся морской воды карбонатных, сульфатных и хлоридных минералов. Этот процесс протекает не в среде подземным вод, а на поверхности земли, однако, как мы уже отмечали, имеет чрезвычайно большое значение для формирования подземной гидросферы, так как образующиеся таким образом рассолы впоследствии захороняются. Вместе с тем, довольно широкие масштабы процесс кристаллизации минералов имеет и в подземной гидросфере. Так, например, в девонских породах Беларуси установлены и изучены вторичные (так называемые катагенетические) кальцит, доломит, кварц, гипс, ангидрит, галит, которые образовались непосредственно из подземных растворов. Интересно, что провоцировать это вторичное минералообразование могут различные процессы. Например, к кристаллизации галита приводит падение пластового давления в зонах тектонических разломов, снижение пластовых температур, смешение подземных рассолов разного состава.

Сорбция — процесс самопроизвольного сгущения растворённого или газообразного вещества вблизи твёрдого вещества, или, другими словами, это поглощение вещества из раствора или газа твёрдой фазой. Различают адсорбцию, когда поглощение вещества осуществляется лишь поверхностью сорбента, и абсорбцию, когда поглощение осуществляется всей его массой. К хорошим сорбентам относятся вещества с большой удельной поверхностью. Это материалы, сложенные весьма мелкими, так называемыми коллоидными частицами (удельная поверхность некоторых природных материалов выражается такими величинами, которые даже трудно себе представить: для некоторых видов диатомитов она приближается к 100 м²/г). К хорошим сорбентам относятся глины, органическое вещество, входящее в состав горных пород (торф, уголь, гумус и др.), гидроокислы железа, марганца, алюминия. Сорбция может быть полярной и неполярной. В случае полярной сорбции твёрдой фазой поглощаются заряженные частицы — катионы или анионы, при неполярной — молекулы, в частности газов.

Важное значение сорбции состоит в том, что таким образом из подземных вод выводятся многие редкие элементы, вывод которых из растворов посредством кристаллизации затруднён из–за того, что редко образуются насыщенные растворы соответствующих соединений. К таким элементам относятся калий, литий, рубидий, барий, медь, свинец, цинк, кобальт, уран и др.

Процессы, сочетающиее воспроизводство и поглощение растворённого вещества. К этим процессам относятся ионный обмен, метасоматическое замещение, окислительно–восстановительные и биогеохимические реакции и радиоактивный распад.

Ионный обмен заключается в сорбции из воды одних ионов и замене их другими, находящимися в породе. Ионный обмен может быть иначе назван обменной сорбцией. Различают обменную адсорбцию и обменную абсорбцию.

Начнём с обменной адсорбции. Обменные ионы, находящиеся на поверхности адсорбента, называются поглощённым комплексом. Наиболее распространённые адсорбенты — глины. У разных глинистых минералов, слагающих глинистые породы, обменная способность разная: наибольшая — у монтмориллонита, весьма низкая — у каолинита. Поскольку природные адсорбенты имеют преимущественно отрицательный заряд, между подземными водами и породами совершается, главным образом, обмен катионами. Поэтому, говоря об ионном обмене, имеют в виду, прежде всего, катионный обмен. Способность катионов поглощаться породами зависит от их валентности и радиуса и изменяется в рядах: К⁺ > Na⁺ > Li⁺ и Sr²⁺ > Са²⁺ > Мg²⁺. Количество поглощённых ионов характеризует ёмкость поглощения пород и выражается в мг–экв/100 г породы. Чаще всего, при изучении поглощённого комплекса, или комплекса поглощённых катионов, обращают внимание на соотношение Na и Са. Говорят о “континентальном” и “морском” облике поглощённого комплекса. Первый свойственен породам, образовавшимся на суше, и характеризуется преобладанием поглощённого кальция (Са > Na). В морских отложениях на первое место выступает поглощённый натрий (Na > Са). Наиболее энергично обменно–адсорбционные процессы протекают, если подземные воды внедряются в породы с иным поглощённым комплексом, чем растворённые катионы.

Приведём конкретный пример влияния катионного обмена на формирование состава вод. В четвертичных континентальных отложениях Беларуси подземные воды, как правило, гидрокарбонатные кальциевые. В некоторых районах республики пресные подземные воды встречаются в морских песчаных породах верхнепротерозойского возраста. Здесь эти воды гидрокарбонатные натриевые. Это следствие обмена кальция воды на катионы натрия морского поглощённого комплекса.

На формирование состава подземных вод существенно влияет процесс метасоматического замещения, который иногда называют еще обменной абсорбцией. Это процесс замещения катионов породы (минерала) другими катионами из раствора, причём при этом происходит кардинальная перестройка структуры минерала или породы, в отличие от обменной адсорбции, когда минералогической перестройки не происходит. Наиболее яркий пример метасоматического замещения — процесс доломитизации известняка:

СаСО₃ + Мg²⁺ ↔ СаМg(СО₃)₂ + Са²⁺.

кальцит р–р доломит р–р