29. Основные процессы, формирующие химический состав подземных вод

Миграция элементов в подземных водах неразрывно связана с разнообразными процессами, протекающими в подземных водах и в системе подземная вода — вмещающая (окружающая) среда.

Многообразие процессов определяет разнообразие химического со­става подземных вод.

Среди множества процессов наиболее харак­терны для формирования химического состава подземных вод сле­дующие: в системах подземная вода — вмещающая (окружаю­щая) среда это — растворение и выщелачивание, гидролиз, ион­ный обмен, сорбция, диффузия, биогеохимические процессы; в под­земных водах — вторичное минералообразование, концентрирова­ние, разбавление, смешение, биогеохимические процессы.

Растворение и выщелачивание — химические процессы взаимо­действия подземной воды с породами и минералами. Растворе­ние — разрушение водой кристаллической решетки веществ — в геологических условиях относится к породообразующим минералам и мономинеральным породам. Примером мономинеральных пород являются галиты. При растворении минералы полностью перехо­дят в растворенное состояние. Растворение — обратимый процесс, происходящий вследствие полярности молекул воды. Полярная мо­лекула обладает силовыми полями, что обусловливает ее способность притягивать молекулы различных веществ. При этом энергии, с которой вода действует на вещество (энергии гид­ратации), достаточно для разрушения кристаллической решетки вещества.

Выщелачивание — перевод в раствор одного или нескольких компонентов твердого вещества с помощью водного раствора, час­то при участии газов, являющихся окислителями или восстанови­телями. Поэтому выщелачивание в гидрогеохимии в отличив от •растворения представляет собой процесс разложения подземными водами породы. В отличие от растворения — обратимого про­цесса — выщелачивание является сложным необратимым про­цессом.

На растворимость и выщелачивание большое влияние оказыва­ют природные факторы. Среди них велика роль газов и свойств подземных вод — растворов. Так, присутствие в подземных водах значительных количеств углекислоты повышает растворимость кальцита, доломита и выщелачивание терригенных пород. Присут­ствие в водах кислорода повышает возможность миграции компонентов, слагающих породу, обогащенную сульфидами металлов, за счет увеличения интенсивности процессов их окисления. Присутствие в водах ионов, разноименных с ионами породообразующих минералов, повышает растворимость этих минералов и т.

Известно несколько видов выщелачивания. В подземных водах наиболее широко распространены: углекислотное, гидролиз, окис­ление, выщелачивание растворами с повышенной ионной силой.

Углекислотное выщелачивание протекает при взаи­модействии с породами подземных вод, содержащих углекислоту. Углекислотному выщелачиванию подвержены карбонатные (доло­миты, известняки) и силикатные осадочные породы. В результате углекислотного выщелачивания различных пород формируются воды, главным анионом в которых является гидрокарбонат-ион; наряду с гидрокарбонатными формируются также кремниевые воды. Катионный состав гидрокарбонатных и крем­ниевых вод преимущественно кальциевый и магниевый.

Углекислотное выщелачивание широко развито в подземных водах И обладает высокой миграционной способно­стью.

Гидролиз— реакция ионного обмена между веществами и водой А—В + Н—ОН-+А—Н+В—ОН {А—В — гидролизующееся вещество; А—Н и В—ОН — продукты гидролиза). При гидроли­тическом взаимодействии подземных вод с породами происходит замещение в кристаллической решетке породообразующих мине­ралов катионов водородными ионами воды. Последние образуются при частичной диссоциации воды:

 

Путем гидролити­ческого взаимодействия с терригенными полевошпатовыми поро­дами формируются гидрокарбонатные натриевые минерализован­ные воды.

Окисление — это реакция соединения какого-либо вещества с кислородом. Окислению подвергаются породы в той или иной степени обогащенные сульфидами металлов (пиритом FeS2, гале­нитом PbS, сфалеритом ZnS, халькопиритом CuFeS и др.) или серой. Это разнообразные песчано-глинистые разности пород, реже карбонатные, а также изверженные породы.

В результате окисления формируются преимущественно суль­фатные воды, содержащие, как правило, повышенные количества железа, никеля, меди и других микроэлементов, входящих в состав сульфидов. Макрокатионный состав вод окисления чаще всего кальциевый и магниевый, так как этот процесс сопровождается выщелачиванием известняков, доломитов, карбонатного цемента терригенных пород. В процессах окисления участвует кислород атмосферного происхождения.

Выщелачивание пород растворами с повышен­ной ионной силой можно условно рассматривать как рас­творение, усиленное влиянием минерализованных растворов. В то же время, поскольку этот процесс протекает при взаимодействии вод с породами, его правильнее относить к выщелачиванию. Рас­творимость слаборастворимых природных соединений, таких, как кальцит, доломит, гипс, ангидрит, увеличивается в минерализован­ных растворах, т. е. растворах с повышенной ионной силой. В пла­стовых водоносных комплексах с широким распространением ми­нерализованных хлоридных натриевых вод, вмещенных в карбо­натные и сульфатные породы, эти воды взаимодействуют с послед­ними более активно, чем пресные воды. В результате в водах накапливается кальций. Таким образом, необходимость наличия минерализованных хлоридного натриевого состава подземных вод определяет то положение, что растворимость под влиянием повы­шенной ионной силы возможна преимущественно в пластовых во-доносных комплексах. Процесс этот протекает также (но в зна­чительно меньших масштабах) в прибрежных морских районах в пределах грунтовых вод, куда поступают минерализованные мор­ские воды с высоким содержанием хлора и натрия. Возможен этот процесс и в аридных районах, где грунтовые воды часто имеют хлоридный натриевый состав и высокую степень минерализации.

Адсорбция — поглощение из подземных вод ионов поверхност­ным слоем породы. Порода, на поверхности которой происходит этот процесс, называется адсорбентом, а поглощаемое вещество— адсорбатом. В зависимости от характера взаимодействия между молекулами адсорбата и адсорбента развивается физическая или химическая адсорбция. Первая обусловлена силами межмолеку­лярного взаимодействия, при хемосорбции молекулы адсорбата и адсорбента образуют химическое соединение.

В адсорбционном процессе участвуют катионы, что определяет­ся отрицательным зарядом поверхностного слоя породы. Интен­сивность адсорбции зависит от свойств ионов, в частности от за­ряда и радиуса иона. Чем больше заряд иона, тем интенсив­нее он адсорбируется из водного раствора. Для однозарядных ионов наибольшей способностью к адсорбции обладают ионы, имеющие больший радиус.

Адсорбция в значительной степени определяется также рядом свойств внешних сред, главные из которых: характер пород, кон­центрация ионов в водах. Зависимость адсорбции от характера по­роды заключается в зависимости от удельной поверхности породы (поверхности, приходящейся на один грамм адсорбента). Породы с  наибольшей удельной  поверхностью  — это глинистые породы. В них удельная поверхность может достигать тысячи квадратных метров на грамм. Повышена удельная поверхность у доломитов идоломитизированных известняков. Зависимость адсорбции от кон­центрации ионов в подземных водах прямая; чем больше концен­трация иона, тем вероятнее его адсорбция породой. В результате адсорбции изменяется состав подземных вод, происходит обедне­ние их катионами, а в Целом  уменьшение степени минерализации и изменение ионного состава. Адсорбция широко распространена в грунтовых и пластовых водоносных комплексах при наличии по­род-адсорбентов. В системе грунтовая вода — порода адсорбци­онные процессы, как правило, менее развиты, чем в системе пла­стовая вода — порода, что объясняется большей минерализацией пластовых вод по сравнению с грунтовыми.

Сильно развит процесс адсорбции из подземных вод породами раз­личных микроэлементов, поступающих в воды с промышленны­ми стоками.

Ионообменный процесс — разновидность сорбционных про­цессов. Этот процесс возникает, если на поверхности породы, поме­щенной в раствор электролита, имеется комплекс поглощенных катионов. В этом случае будет происходить обмен между ионами раствора и поглощенного комплекса. К обязательным условиям данного процесса относятся присутствие в водовмещающих поро­дах поглощенных оснований и неравные концентрации обменных ионов в растворе и породе.

Для ионного обмена характерно следующее. В системе подзем­ная вода — порода ионный обмен представлен катионным, что является следствием преобладания в поглощенном комплексе по­род катионов. Последнее объясняется тем, что коллоидная часть пород состоит преимущественно из отрицательно заряженных ча­стиц (типа SiO2, AI2O3), которые при формировании ионообменно­го комплекса поглощали катионы. В природных условиях породы, способные к катионному обмену с подземной водой, представлены глинами и глинистыми разностями. Ионный обмен •— самопроиз­вольный процесс, протекающий до установления равновесия. Он затрагивает ионы,- расположенные на поверхности породы, а также в объеме. Ионный обмен — обратимый процесс, и он подчиняется закону действующих масс.

В результате ионного обмена подземные воды теряют те или иные катионы и приобретают другие, т. е. он приводит к качественному изменению в составе воды при сохранении ее концентрации. Под воздействием катионного обмена изменяются также состав погло­щенного комплекса пород и их физические свойства.

К внешним факторам, определяющим емкость обмена, отно­сятся главным образом свойства пород и растворов. В частности, обменная емкость в значительной степени зависит от дисперсности и минералогического состава пород, концентрации катионов в ра­створе, рН среды. Чем выше степень дисперсности пород, тем боль­ше емкость обмена.   Минералогический   состав   глинистых пород влияет на емкость обмена следующим образом. Наибольшей об­менной способностью обладают минералы группы монтморилло­нита, меньшей — минералы группы иллита, минимальной — груп­пы каолинита.

С увеличением концентрации катионов в растворах возрастает способность данного катиона к обмену. Поэтому между поглощен­ными основаниями породы и ионным составом подземной воды в ходе катионообменных реакций устанавливается подвижное рав­новесие.

Чем больше в воде содержится ионов водорода, тем слабее будут участвовать в обменном процессе все другие катионы. Поэтому величина рН определяет часто ход катионообменных реакций. Чем выше рН воды (меньше концентрация ионов водорода), тем больше катио­нов воды обменивается с катионами поглощенного комплекса по­род.

В различных природных условиях ионообменные процессы имеют свои характерные особенности. В значительной степени они определяются качественным и количественным разнообразием по­глощенного комплекса пород.

ГИС