2.7.1. Геохимическая классификация природных вод

Миграция химических элементов в природных водах зависит от большого числа факторов - температуры, окислительно - востановительной обстановки, кислотно - основных свойств, ионного состава вод и т. д.

Интенсивность миграции химических элементов в гидросфере резко возрастает при переходе их в растворимое состояние. Этот переход осуществляется в результате растворения природных химических соединений (минералов) в воде. Процесс растворения минералов сопровождается появлением в природных водах химических элементов в виде ионов - катионов или анионов. Соединения некоторых элементов (например, кремний Si) образуют молекулярные растворы, без заметной диссоциации молекул на ионы. Другой важной формой миграции элементов в гидросфере является миграция в коллоидном состоянии ( коллоидные растворы). Коллоидные растворы - гетерогенные системы, в которых мелкодисперсная твердая фаза распределена в жидкой дисперсионной среде. Размеры коллоидных частиц малы (10^-6 - 10^-7 м), поэтому вследствие теплового (броуновского) движения их осаждение не происходит и такие системы длительное время могут быть устойчивы, без разделения на жидкую и твердую фазу.

Растворение минералов - обратимый процесс и при изменении внешних условий (концентрация ионов водорода, окислительно - восстановительная обстановка, температура, давление) происходит выделение из растворов нерастворимых в данных условиях химических соединений.

В условиях земной поверхности растворимость минералов, кроме их химических свойств, определяется чаще всего кислотно - основными и окислительно - восстановительными условиями природных вод, контактирующих с этими минералами.

Количественно кислотно - основные свойства характеризуются величиной водородного показателя (рН), представляющего собой отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода в растворе. Значение рН, меньшее 7 свидетельствует о кислом характере раствора, при рН, большем 7 раствор является щелочным.

Для характеристики окислительно - восстановительных условий используется величина окислительного потенциала (Еh), являющаяся электро - химической характеристикой окислительно - восстановительной реакции. По своему физическому смыслу Eh - это разность потенциалов между двумя электродами, на одном из которых протекает окислительно-восстановительная реакция, а на другом (стандартном) - реакция восстановления водорода (2Н+ + 2е  Н2). Потенциал водородного электрода условно принят за нулевой. Величина Eh измеряется в вольтах и может иметь как положительное, так и отрицательное значение. Положительные значения Eh характеризуют окислительную обстановку, отрицательные - восстановительную.

В настоящее время созданы чувствительные измерительные электроды, позволяющие быстро и точно определять значения рН и Eh природных и техногенных вод, почв, донных отложений. Обобщенные данные многочисленных экспериментальных исследований кислотно - основных и окислительно - восстановительных свойств различных объектов биосферы приведены на рис. 2.1 [28].

На рис. 2.1. видно, что окислительная обстановка может создаваться только в поверхностных водах при условии хорошей циркуляции и контакте с атмосферой. При прекращении контакта с атмосферой и при наличии органических остатков окислительная способность вод быстро исчезает, в них формируется восстановительная обстановка (болотные почвы, морские осадки). Разложение органических веществ под действием микроорганизмов приводит не только к появлению восстановительной обстановки, но и к увеличению кислотности среды за счет образования угольной кислоты Н2СО3 и сероводорода Н2S.

Снижение кислотности вод связано обычно с увеличением их минерализации ( гидролиз растворенных силикатов и карбонатов). К примеру, снижение кислотности в ряду: дождевые воды - речные воды - грунтовые воды.

Рис. 2.1. Значение рН и Еh для некоторых природных сред.

По современной классификации природных вод (рис.2.2)[2] самой крупной единицей классификации является группа вод. Выделяют 4 группы:

1. Холодные и слаботермальные воды верхней части земной коры. Это воды зоны гипергенеза и биосферы с температурой не более 50 ^оС.

2. Горячие и умеренно перегретые с температурой 50 - 200 ^оС.

3. Сильно перегретые с температурой 200 - 375 ^оС.

4. Флюидные с температурой свыше 375 ^оС

Выделение температуры как основного фактора самой крупной классификационной единицы связано с тем, что температура определяет формы существования материи, условия миграции атомов, формы нахождения элементов, скорости прохождения химических реакций. Четко выделяется группа холодных и слаботермальных вод, в которых возможна энергичная бактериальная деятельность. Современное состояние знаний позволяет разработать подробную геохимическую классификацию только для первой группы вод.

В пределах первой группы вод наибольшие геохимические различия связаны с окислительно-восстановительной обстановкой. Большое ее значение объясняется огромным энергетическим эффектом окислительно - восстановительных реакций, коренным образом меняющих геохимическую обстановку в природных водах.

Выделяют 3 типа вод:

• кислородные;

• глеевые;

• сероводородные.

К первой группе относятся воды, содержащие свободный кислород. Появление свободного кислорода в этих водах связано с его растворимостью при контакте с атмосферным воздухом, выделением кислорода в процессе фотосинтеза водных растений. В подземных водах появление свободного кислорода связано с разложением воды на водород и кислород под влиянием радиоактивных излучений - радиолизом воды.

Ко второму типу относятся глеевые воды, характеризующиеся отсутствием свободного кислорода. Глеевые воды образуются в районах тундровых болот, тайги, влажных тропиков, где большое количество разлагающихся растительных остатков и высокая увлажненность почвенного слоя препятствуют насыщению вод кислородом. В этих условиях разложение растительных остатков происходит под действием анаэробных бактерий, которые для своей жизнедеятельности потребляют кислород из минеральных соединений химических элементов, переводя их в восстановленную форму.

Сероводородные воды характеризуются восстановительной обстановкой. Они формируются в таких же условиях, что и глеевые воды, но при достаточно высоком содержании анионов сульфата. В процессе жизнедеятельности анаэробных бактерий происходит восстановление серы и в воде появляются анионы сульфида и гидросульфида.

В пределах типов геохимические различия вод в первую очередь определяются кислотно-щелочными условиями.

По ним выделяют 4 класса вод:

• сильнокислые с рН < 3 - 4;

• слабокислые с рН от 4 до 6.5;

• нейтральные и слабощелочные с рН от 6.5 до 8.5;

• сильнощелочные с рН > 8.5.

Рис. 2.2. Геохимическая классификация природных вод.

Воды сильнокислого класса распространены сравнительно мало. Они известны в районах сульфидных месторождений, где окисление сульфидов, в первую очередь пирита, приводит к формированию сернокислых вод, имеющих не только низкий рН, но и обогащенных металлами. В таких районах встречаются сернокислые ("купоросные " ) озера. Одно из подобных озер расположено вблизи Гайского медноколчеданового месторождения на Южном Урале.

Сернокислые ручьи и речки характерны и для районов некоторых угольных шахт - водоотлив шахтных вод и подотвальные воды, кислотность которых связана с окислением содержащегося в угле пирита.

В районах современного вулканизма (Курилы, Япония, Индонезия) формируются сильнокислые термальные подземные воды, а в местах их выхода на поверхность - кислые реки. Кислотность таких вод связана с растворением в них хлористого водорода и других вулканических газов.

Воды слабокислого класса формируются в районах изверженных и других пород, не содержащих растворимых минеральных компонентов (карбонатов, гипса и т.д.). Формирование химического состава вод протекает в почвах при разложении растительных остатков. Концентрация иона водорода, а следовательно и кислотность связаны с растворенной угольной кислотой и органическими кислотами, образующимися при разложении растительных остатков. Такие воды обычно содержат мало растворенных минеральных веществ, по составу - гидрокарбонатно - кальциевые ( ведущие ионы Са2+ и НСО3-). Эти воды обычно богаты растворенными органическими веществами, в связи с чем имеют темный цвет. Под защитой органических веществ, в виде комплексных соединений в них хорошо мигрируют многие металлы.

Воды нейтрального и слабощелочного класса формируются в районах карбонатных пород. Здесь наряду с процессами разложения растительных остатков и появления в водах органических кислот и углекислоты идут процессы растворения карбонатных минералов (обычно карбоната кальция СаСО3), приводящие к нейтрализации вод. Такие воды обычно распространены очень широко в различных климатических зонах, характеризуются повышенной минерализацией и относительно небольшим количеством растворенных органических веществ.

Воды сильнощелочного класса наиболее характерны для районов засушливого климата и обязаны своей щелочной реакцией содержащейся в них соде - бикарбонату NaHCO3, реже карбонату Na2CO3 натрия. Содовые воды довольно распространены на земле обычно в виде озер - содовые озера Западной Сибири, Восточной Африки, Калифорнии. Подземные содовые воды обычно приурочены к нефтегазовым месторождениям.

В целом в верхней части земной коры преобладают слабощелочные и нейтральные воды (океанические, речные и грунтовые). Менее распространены слабокислые и еще меньше сильнокислые и сильнощелочные.

В пределах классов воды разделяются на семейства по величине общей минерализации (количеству растворенных веществ):

• ультрапресные, минерализация до 0.1 г/л;

• пресные, минерализация до 1.5 г/л;

• солоноватые, минерализация от 1.5 до 10 г/л;

• соленые, минерализация от 10 до 40 г/л;

• рассольные, минерализация более 40 г/л.

Ультрапресные воды широко распространены в природе, к ним относятся многие атмосферные осадки, поверхностные и грунтовые воды материков в районах влажного климата, в частности, многие реки Восточной Сибири и Дальнего Востока. Ультрапресные воды не насыщены практически всеми минеральными соединениями и обладают большой растворяющей спосбностью.

Пресные воды характерны для большинства рек и озер влажного климата, многих грунтовых вод. Эти воды составляют главную базу питьевого и технического водоснабжения.

Солоноватые воды широко распространены в степях, пустынях и сухих саваннах, в артезианских бассейнах подземных вод. Они насыщены СаСО3, MgCO3 и частично CaSO4. Растворяющая способность вод этих слабее, чем пресных.

К соленым водам относятся воды морей и океанов, а также соленых озер. Это самые распространенные воды в биосфере. Растворяющая способность этих вод низкая.

Рассольные воды характерны для некоторых соленых озер и глубоких подземных вод изверженных пород. Среди этих вод преобладают хлоридные растворы.

По содержанию органических веществ все природные воды делятся на 4 рода:

1. Bоды, богатые растворенными органическими веществами гумусового ряда. К ним относятся воды таежных, тундровых, тропических болот, рек и озер. Для них характерно большое количество гумусовых кислот, придающих водам коричневую окраску.

2. Воды, богатые растворенными органическими соединениями нефтяного происхождения. Они характерны для сопутствующих подземных вод нефтегазовых месторождений. В составе растворенных органических веществ преобладают низкомолекулярные жирные кислоты, нафтеновые кислоты, фенолы, бензол, толуол.

3. Воды, средние по содержанию органических веществ - океанические воды.

4. Воды, бедные по содержанию растворенных органических веществ. К ним относятся воды горных рек и озер, воды засушливых ландшафтов.

По ионному составу воды классифицируются на следующие виды:

по преобладающему аниону (вид):

• гидрокарбонатные;

• сульфатные;

• хлоридные;

по преобладающему катиону (подвид):

• кальциевые;

• магниевые;

• натриевые.

Часто для описания химического состава поверхностных и подземных вод применяется формула М.Г.Курлова, характеризующая минерализацию вод и их ионный состав.