2 Физические свойства и химический состав подземных вод

Подземные воды с гидрогеохимической точки зрения представляют собой сложнейшую систему, состав, состояние и свойства которой в каждом конкретном случае определяются:

1) свойствами самой воды;

2) свойствами содержащихся в ней веществ;

3) условиями взаимодействия их между собой и с окружающей средой.

2.1 Вода как химическое вещество

Вода, являющаяся основой большинства природных и антропогенных растворов, представляет собой уникальное химическое соединение водорода (11,11 %) и кислорода (88,89 %).

Вода — единственное вещество, которое в естественных природных условиях Земли способно существовать во всех трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и парообразном.

2.2 Физические свойства подземных вод

Физические свойства подземных вод являются важнейшими показателями качества, и их оценка необходима при любых гидрогеологических исследованиях.

Согласно А.М. Гальперина, основное свойство воды — текучесть. Она объясняется незначительным сцеплением и отсутствием сил трения между частицами в состоянии покоя. С возникновением касательных сил, препятствующих перемещению частиц относительно друг друга, связано понятие вязкости, характеризующее текучесть воды.

Показателями физического состояния и свойств подземных под служат температура, прозрачность, цвет, запах, вкус, плотность, сжимаемость, вязкость, электропроводность, радиоактивность.

2.3 Химический состав подземных вод

Химический состав подземных вод — это совокупность содержащихся растворенных минеральных и органических соединений за исключением тех, из которых состоит живое вещество.

2.3.1 Геохимические условия формирования химического состава подземных вод

Природную геохимическую обстановку, в которой проявляются факторы формирования химического состава подземных вод, определяют геологические условия.

Для оценки химического состава подземных вод определяют рН — концентрацию водородных ионов. Известно, что вода диссоциирует на водородный и гидроксильный ионы, величина произведения которых при данной температуре постоянна. При нейтральной реакции концентрация ионов одинакова и равна 1·10^-7.

2.3.2 Процессы формирования состава подземных вод

К числу основных процессов формирования химического состава подземных вод относятся: конвективный перенос (миграция), диффузия, гидролиз, растворение и выщелачивание, кристаллизация (выпадение осадка), сорбция, ионный обмен, окислительно-восстановительные реакции, радиоактивный распад, гидратация и дегидратация.

2.3.3 Обработка, систематизация и классификация результатов химического анализа подземных вод

2.3.3.1 Химический состав подземных вод и способы его определения

Подземная вода – сложный природный раствор, в состав которого входят минеральные компоненты, коллоиды, газы, органические вещества и микроорганизмы, нерастворенные взвешенные частицы.

Минеральные компоненты представляют собой свободные ионы, недиссоциированные молекулы и комплексные соединения. Первые преобладают в подземной воде и определяют ее химический тип, вторые – находятся в незначительных количествах и характеризуют специфический состав воды.

Сумма минеральных веществ, выделенных из воды при помощи химических анализов, определяет ее минерализацию. Последняя связана с химическим составом воды. Величину минерализации оценивают по сухому остатку, получаемому путем выпаривания и высушивания пробы воды, или по сумме ионов, определенных химическими анализами.

Среди ионов различают: макрокомпоненты, содержащие элементы и комплексные соединения, составляющие основу подземных вод; микрокомпоненты, включающие в себя элементы или соединения в количестве менее 10 мг/л, редко 100 мг/л; ультрамикрокомпоненты (Нb, Аu, Hg), содержание которых в водах редко превышает 0,1 мг/л.

Макрокомпоненты составляют основную часть минерального состава природных вод. В пресных водах содержится свыше 90÷95 % макрокомпонентов, в высокоминерализованных – более 99 %.

В подземных водах верхней части земной коры наибольшее распространение имеют шесть ионов: катионы Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺ и анионы НСО₃^-, SO₄^2-, Cl^- , определяющие тип химического состава воды и ее свойства. Несмотря на низкое содержание (около 10^-3 г/л), велика роль ионов Н⁺ и ОН^- в ряде случаев ведущее значение приобретают карбонат-ион СО^2-₃, гидросульфит-ион HS^- и сульфит-ион НS^-. К макрокомпонентам относятся также соединения азота и следующие элементы: К, Si, Fe, С, Р.

Микрокомпоненты не определяют химический тип воды, однако значительно влияют на специфические особенности ее состава. В подземных водах обнаружено свыше 40 микрокомпонентов. К наиболее известным относятся: Li, В, F, Ti, V, Cr, Мn, Co, Ni, Cu, Zn, Ва. Такие микрокомпоненты, как J, F, Zn, Си, Со, Bа, оказывают влияние на жизнедеятельность человека, животных и растений.

Коллоиды выполняют важную роль в формировании рудных залежей. Некоторые элементы не в состоянии переноситься поземными водами в виде ионов (Fe, Al и др.). Перемещение их в земной коре происходить в виде коллоидных частиц, размер которых – 10^-7÷10^-5 см.

Газы. Подземные воды всегда содержат те или иные газы в растворенном состоянии. При изменении термобарических условий растворенный газ может выделиться в свободной форме, т.е. вода становится двухфазной системой.

Органические вещества. Природное водорастворенное органическое вещество (ВРОВ) подземных вод представлено комплексом разнообразных соединений.

Живое вещество подземных вод представлено преимущественно микроорганизмами животного и растительного происхождения размером обычно не более 1 мкм, среди которых преобладают бактерии.

Результаты химического анализа вод могут быть представлены в разных формах (в массовых долях растворенных веществ в 1 л воды (или 1 кг), в эквивалентных количествах, измеряемых в миллимолях и в процент-эквивалентах на литр).

Обработку химического анализа проводят поэтапно.

Ионно-солевой состав воды принято выражать в виде содержания в воде отдельных ее компонентов-ионов.