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: 7 из 7

Часть ионов Са²⁺ в кальците, слагающем известняк, переходит в раствор, а их место занимают ионы Мg²⁺ из раствора; при этом кальцит превращается в доломит. Этот процесс широко распространён в недрах, причём в условиях широкого диапазона минерализации.

Окислительно–восстановительные и биогеохимические реакции — очень важные процессы преобразования состава подземных вод. Они взаимосвязаны, так как окисление или восстановление очень часто происходит с участием органического вещества и, наоборот, биогеохимические процессы имеют в своей основе окислительно–восстановительные реакции, многие из которых протекают при активном участии микроорганизмов, питательной средой для которых является органическое вещество. Не будем долго останавливаться на окислительно–восстановительных процессах, довольно подробно рассмотренных ранее. Обратим лишь внимание на распространённую в подземной гидросфере реакцию восстановления сульфата кальция, которая одновременно является и биогеохимической:

CaSO4 + 2 С_орг + 2 H₂O → Са(НСО₃)₂ + Н₂S.

Процесс сопровождается удалением из раствора сульфатных ионов и появлением в нём гидрокарбонатных ионов.

Радиоактивный распад относится к числу процессов, вызывающих появление или удаление из подземных вод радиоактивных продуктов. Как известно, самопроизвольным делением обладают элементы семейств актиния, тория, урана и нептуния, а также некоторые изотопы других элементов. Велика роль радиоактивного распада в формировании газового состава подземных вод. Таким образом попадают в воду радон, гелий, аргон. Интересно, что под влиянием α–излучения молекула воды разлагается на кислород и водород. Таким образом, в процессе радиолиза воды в подземных водах глубоких зон появляется кислород, наличие которого иногда заставляет некоторых исследователей ошибочно допускать проникновение инфильтрационных вод с поверхности на очень большие глубины.

Процессы добавления или удаления молекул растворителя. Процессы, связанные с перемещением и изменением концентрации вещества растворителя, также, конечно, влияют на общий состав подземных вод. Важнейшими из этих процессов являются гидратация и дегидратация минералов, подземное испарение и вымораживание, мембранные эффекты.

Гидратация и дегидратация минералов. Когда мы говорили в начале этой лекции о генетических типах вод, а именно о петрогенных водах, мы касались вопроса дегидратации минералов. Речь шла о выделении при определённых температурах из минералов кристаллизационной и конституционной, т.е. химически связанной воды, что приводит к снижению минерализации подземных вод. Не будем долго останавливаться на этом вопросе. Подчеркну лишь, что в верхних частях геологического разреза может идти обратный процесс гидратации минералов, и напомню, какое количество воды может содержаться в минералах. В гипсе — 21 %, в монтмориллоните — до 24 %, в соде — 64 %. В осадочном разрезе Беларуси довольно широко распространены сульфатные породы, относящиеся к среднему и верхнему девону. Интересно, что ниже глубины примерно 1–1,5 км они представлены ангидритом (СaSO₄), а выше — гипсом (СаSO₄ · 2Н₂О). Поскольку спорным является вопрос, в каком виде происходило осаждение сульфата кальция в бассейне седиментации (в виде гипса или ангидрита), трудно сказать, произошла ли дегидратация гипса в нижней части разреза, либо гидратация ангидрита — в верхней. В любом случае влияние процесса на состав подземных вод должно было быть существенным.

Процесс выделения или поглощения воды минералами может быть гораздо сложнее, чем, скажем, просто потеря воды минералом и превращение его в безводный аналог. Например, в земной коре возможны превращения одних глинистых минералов в другие, в частности каолинита в хлорит и обратно. Для превращения каждых 100 г каолинита в хлорит по реакции:

3 Al₂Si₂O₅(OH)₄ + 3,9 Fe²⁺ + 3,5 Мg²⁺ + 9 Н₂О ↔ Fe_3,5Мg_3,5Al₆Si₆O₂₀(OH)₁₆ + 14 Н⁺,

каолинит хлорит

необходим 21 г воды. В обратном процессе такое количество воды, очевидно, должно выделиться.

Подземное испарение и вымораживание — процессы, вызывающие концентрирование подземных вод вплоть до выпадения растворённого вещества в осадок. Подземное испарение в аридных условиях может играть важную роль в формировании состава очень неглубоко залегающих подземных вод. Некоторые исследователи предполагают возможность подземного испарения в глубоких водоносным горизонтам. Однако вопрос этот дискуссионный. Роль подземного вымораживания аналогична испарению и сопровождается кристаллизацией солей при снижении температуры. Сложный комплекс процессов, связанный с влиянием низких температур на состав вод (криогенная метаморфизация состава вод) имеет место в районах многолетнемёрзлых пород.

Мембранные эффекты. При фильтрации минерализованных подземных вод через породы с различной проницаемостью иногда обращается внимание на возможность концентрирования растворённого вещества путём так называемых мембранных — фильтрационного и осмотического эффектов. Смысл фильтрационного эффекта состоит в том, что тонкодисперсные породы способны пропускать через себя растворитель, а растворённое вещество такой “фильтр” задерживает или пропускает частично. Концентрация профильтровавшегося раствора при этом уменьшается. Пока нет ясности относительно роли фильтрационного эффекта в формировании состава и минерализации подземных вод.

Другая разновидность мембранный эффектов — осмос. Он проявляется, когда в соприкосновение приходят два раствора разной концентрации, которые разделены полупроницаемой перегородкой, пропускающей молекулы растворителя, но препятствующий прохождению частиц растворённого вещества. Растворитель перемещается в направлении выравнивания концентраций. Вопрос о значении осмотического эффекта, как и фильтрационного, в формировании состава подземных вод требует дальнейшего изучения.

При гидрогеохимических исследованиях, при выяснении особенностей формирования состава подземных вод большое значение имеют представления о водной миграции химических элементов. Основы теории миграции элементов заложены А.Е. Ферсманом и В.И. Вернадским, в дальнейшем эти вопросы развивались Б.Б. Полыновым, А.И. Перельма­ном и др. Кратко коснёмся этого вопроса. Различаются внутренние и внешние факторы миграции. Внутренние факторы — свойства химических элементов, определяемые строением атомов. Внешние факторы — температура, давление, рН и Eh, характеристики растворов, т.е. параметры обстановки. Способность химического элемента мигрировать в водной среде определяется величиной коэффициента водной миграции:

,

где: m_х — содержание элемента “х” в воде, г/л; а — минерализация воды, г/л; n_x — процентное содержание элемента “х” в водовмещающих породах или в литосфере (кларк).

Чем выше K_х, тем интенсивнее миграция элементов в природных растворах. Использование коэффициента водной миграции позволяет сравнивать интенсивность миграции распространённых и редких элементов.

Коэффициент водной миграции может рассчитываться для разных типов вод, разных геохимических обстановок (например, окислительной и восстановительной), для Земли в целом. Очень сильная подвижность в разных обстановках свойственна хлору, бору, иоду; сильная — кальцию, магнию, натрию, фтору, стронцию; средняя — кремнию, калию, фосфору; слабая и очень слабая — алюминию, титану, цирконию, редким землям и многим другим.

Итак, мы увидели, какое сложное явление — формирование состава подземных вод, какое множество разнообразных процессов этот состав формируют. А теперь подчеркнем, что эти процессы могут неоднократно сменять друг друга в геологической истории, и состав вод, который мы наблюдаем сегодня в водоносном горизонте, может радикально отличаться от состава воды, которая насыщала эти же породы миллионы лет назад. Можно привести простой пример, В Витебске и его окрестностях на небольших глубинах залегают верхнедевонские карбонатные породы. Это морские образования и первоначально в них находилась захоронённая морская вода. Но теперь эти породы являются основным объектом водоснабжения г. Витебска, т.е. в них залегают пресные воды.