Виды выражения химического состава подземных вод

Полезные, либо вредные свойства воды и ее пригодность для использования человеком можно определить исходя из рассмотрения растворенных в воде химических элементов и соединений.

Такое содержание в количественном выражении определяют в процессе выполнения химических анализов. Анализы подразделяют на общий анализ и специальные виды анализа.

Общий анализ , который также известен как стандартный, либо шестикомпонентный анализ, включает определение шести основных ионов: Cl^-, SO₄^2–,HCO₃^–, Ca₂⁺, Mg₂⁺, Na⁺, минерализации, плотности и рН воды.

Специальные виды анализа разнообразны. Их вид зависит от поставленной задачи. В поисковой нефтяной гидрогеологии, выполняют часто определение содержания J, Br, аммония, органических соединений, а также газовый состав, содержащийся в пробах воды.

Санитарный анализ выполняют чтобы определить пригодна ли вода в качестве питьевой, а также удовлетворяет ли она требованиям к воде для бытового использования. При этом определяют содержание ионов NH₂⁺, NO₂^–, NO₃^– и окисляемость воды. В ряде случаев выполняют бактериологический анализ.

Бальнеологические анализы выполняют с тем, чтобы определить лечебные свойства воды. Как правило, такие анализы включают расширенный список дополнительных элементов, таких как  определение содержания сульфидов, железа, мышьяка, лития, радиоактивности (например, содержание радона) и газовой составляющей.

Технические анализы выполняют с целью определить степень пригодности воды для технических нужд, таких как – для закачки вод в нефтяные пласты для вытеснения нефти, в котельных – для питания паровых котлов, для оценки других коррозионных (агрессивных) свойств воды.

Способы (формы) изображения химического состава воды.

На практике используют следующие формы отображения: весовая ионная, эквивалентная и процент-эквивалентная формы.

Весовая ионная форма – это выражение состава воды в виде весового количества отдельных ионов. При этом, содержание ионов (в миллиграммах, либо граммах) в единице объема, либо единице массы (обычно в 100 см³, 1000 см³, 100 г, 1 кг).

Если для пресных вод не имеет решающего значения, в каких единицах приведено это выражение, то для рассолов есть различие. Для выражения содержания растворенных газов в ряде веществ, находящихся в коллоидном состоянии, весовая ионная форма не используется.

Эквивалентная форма более точно учитывает химические свойства воды, позволяет контролировать точность результатов анализа и вычислять содержание ионов натрия и калия без прямого их аналитического определения.

Ионы, содержащиеся в растворе, реагируют между собой в количествах, определяемых весом и валентностью ионов (другими словами – в эквивалентных количествах). Как известно, эквивалентный вес (эквивалент) иона  - это частное от деления ионного веса на его валентность. Так, эквивалент иона Са²⁺равен 20 (40 : 2), а эквивалент иона SO₄^2–,  - 48 (96 : 2), или 20 весовых единиц иона Са²⁺ соответствует 48 весовым единицам иона SO₄^2–.

 Весовую ионную форму переводят в эквивалентную форму путем деления содержания ионов ( в мг, или г) на величину эквивалента иона. Можно также умножить содержание иона в весовой форме на коэффициент реакции (являющийся обратной величиной эквивалента этого иона).

 Наличие перед химическим символом иона буквы r (например,  rNa⁺, rCl^–  и т.д.) показывает, что содержание этого элемента выражено в эквивалентной форме.

 Если же анионы и катионы даны в эквивалентной форме, то исходя из принципа электронейтральности раствора сумма анионов (Σr_a) должна быть всегда равна сумме катионов (Σr_к)

                                   Σr_a = Σr_к

Тогда всегда можно определить содержание одного из шести ионов, если известны содержания других пяти. Тк, например иногда определяют содержаниеNa⁺:

 rNa⁺ = (rCl^–  + rHCO₃^–  + rSO₄^2–) – (rCa²⁺  + rMg²⁺).

Чтобы определить содержание Na⁺ в весовой ионной форме, полученную величину rNa⁺ умножают на его эквивалент.

 Процент-эквивалентная форма является модификацией эквивалентной формы и характеризует относительную долю каждого иона в общей сумме растворенных ионов, равную 100 %. Здесь сумма катионов и сумма анионов составляют по 50 %. Иногда принимают за 100 % сумму катионов (равной сумме анионов), при этом общее содержание ионов будет 200 %.

 Содержание каждого иона в процентах от суммы всех ионов дает процент-эквивалентную форму отображения ионно-солевого состав воды.

 Составив пропорции, где сумма всех ионов в эквивалентной форме равна (100% (или 200%), находим процентное содержание всех ионов последовательно:

 Σ(а +к) – 100%,

i – x %,

Где Σ(а +к) – сумма ионов и катионов в эквивалентной форме; i – содержание искомого иона в эквивалентной форме; x – содержание искомого иона в процент-эквивалентной форме.

 Заметим, что процент-эквивалентная форма не учитывает минерализацию воды. Это дает возможность сравнивать химический состав вод независимо от их степени минерализации.

В гидрогеологии используют три рассмотренные формы. Кроме того, чтобы кратко изобразить химический состав воды используют формулу М.ГЭ. Курлова. Она представляет собой сложную дробь. В числителе указывают содержание анионов, а в знаменателе – катионов в процент-эквивалентной форме. Ионы записывают по убывающим величинам. Перед дробью перечисляют основные компоненты состава растворенных газов и величину минерализации (г/дм³). За дробью приводят температуру, рН, содержание микрокомпонентов состава.

При этом, можно сказать, что состав воды следующий: сероводородная соленая вода гидрокарбонатно-хлоридного магниево-кальциево-натриевого состава имеет температуру 35 ˚С, слабощелочная, содержит йод (7.9 мг/дм³) и бром (25 мг/ дм³).

Ранее применяли характеристику Пальмера для определения характеристики воды нефтяных месторождений. Это определение воды по содержанию в ней тех или иных групп солей. Последние сочетаются из ионов по правилу Фрезениуса, утверждающей о том, что ионы соединяются между собой в порядке уменьшения химической активности. Последовательность степени активности основных ионов следующая: анионы – Cl^–, SO₄^2–, HCO₃^-, катионы –Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺.

Ионы Br^-, J^- располагаются за ионом Cl^-; ионы H⁺, Fe³⁺, Al³⁺ - после иона Ca²⁺; ион HS^– - после HCO₃^–; ион K⁺ - перед Na⁺; ион NH₄⁺ - после Na⁺.

В соответствии с формулой Фрезениуса ион Cl^–  соединяется с ионом Na⁺, при избытке хлора его остаток затем соединяется с магнием, а в случае преобладания над ним – с кальцием; при избытке же натрия, его остаток соединяется с сульфат-ионом. Если натрий преобладает над сульфатом, то он (натрий) соединяется с гидрокарбонатом. Пальмер выделил шесть солевых характеристик. Основное значение имеют: первая соленость (S₁), вторая соленость (S₂), первая щелочность (А₁) и вторая щелочность (А₂).

 Графические методы изображения состава вод применяют для наглядного сравнения состава различных вод, а также – на картах и разрезах.

График Толстихина имеет круговую форму. Он используется для изображения состава отдельных проб воды в процент-эквивалентах. При этом, минерализация воды соответствует в выбранном масштабе радиусу круга. Он используется для вынесения единичных проб воды на карты. С его помощью можно изображать и состав растворенных и свободных газов.

 График Роджерса представляет собой 3 столбика одинаковой высоты. В крайних столбиках расположены ионы в порядке убывания их химической активности – левый столбик соответствует суммарному содержанию анионов, а правый – катионов. Вся высота столбика соответствует 50%-экв. Средний столбик отображает характеристику Пальмера. Его высота равна 100%-экв. Таким образом, график Роджерса изображает состав воды в процент-эквивалентной форме и позволяет легко графически находить характеристики Пальмера.

Метод «узоров» Стиффа. Он заключается в том, что содержание главных ионов (в миллиграмм-эквивалентной форме) откладывается в масштабе от общей оси. Концы отрезков, соединенных ломаной линией, образуют узор. От этого произошло его название.

Полулогарифмическая диаграмма Шеллера – это график, по оси абсцисс которого отложены ионы, а по оси ординат – их содержание в миллиграмм-эквивалентах (в полулогарифмическом масштабе). Удобство заключается в том, что на одну диаграмму наносят ряд анализов воды, что позволяет сравнивать их между собой.

Наконец, любая гидрохимическая карта также представляет собой графическое изображение химического состава подземных вод.

Классификация подземных вод по химическому составу

Ввиду разнообразия химического состава существуют различные классификации: по степени общей минерализации, соотношению анионов и катионов, коллоидному и бактериальному составу, содержанию некоторых газов и т. д.

В последнее время большое применение имеет классификация, предложенная О. А. Алекиным (рис. 14). В ее основу положен учет катионов и анионов, содержание которых в воде равно или превышает 25 мг-экв/л. Кроме этого, учитываются соотношения между содержанием катионов кальция и магния – с одной стороны, и анионов НСО3– и SO4– – с другой. Согласно этой классификации все природные воды могут быть разделены на классы, классы – на группы, а группы – на типы воды. Классы выделены по анионам (НСО3– и SO4–), а группы – по катионам. В каждой группе может быть выделено по 3–4 типа в соответствии с нижеследующими неравенствами:

I тип: r HCO3– > r Ca2+ + r Mg2+;

II тип: r HCO3– < r Ca2+ + r Mg2+ < r HCO3– + r SO42–;

III тип: r HCO3– + r SO42– < r Ca2+ + r Mg2+;

IV тип: r HCO3– = 0.

Воды I типа – минерализованные, мягкие, приурочены обычно к магматическим или нерастворимым осадочным породам или формируются при обменных реакциях в почвах и породах.

Ко II типу относится небольшая часть пресных поверхностных вод или слабоминерализованных грунтовых вод.

Воды III типа – минерализованные (воды морей, океанов, соленые подземные воды).

92

Воды IV типа – хлоридно-кальциевые или хлоридно-магниевые, кислые.

Рис. 14. Классификация природных вод (по О. А. Алекину) [1]

Таблица 13

Классификация вод по общей минерализации

(по В. А. Малыгину и В. П. Кузьминой) [46]

Общая минерализация, Характеристика ионного

Класс

г/л состава

0,2 Пресные Гидрокарбонатные

0,2–0,5 Пресные Гидрокарбонатные

0,5–1 Пресные Гидрокарбонатные

1–3 Солоноватые Сульфатные

3–10 Соленые Сульфатно-хлоридные

10–35 Очень соленые Обычно хлоридные

35–50 Переходные к рассолам Хлоридные

50–400 Рассолы Хлоридные

Общая минерализация вод – очень важный критерий классификации природных вод. Разделение подземных вод по общей минерализации – количеству всех растворенных в воде веществ – приведено в табл. 13. Здесь же дан и наиболее типичный химический состав каждого класса минерализации.

4.8. Изображение химического состава подземных вод

Результаты химических анализов воды, кроме табличной формы, при оценке подземных вод какого-либо района изображаются для наглядности в виде формул и диаграмм. Формулы М. Г. Курлова и солевого состава воды показывают результат только одного анализа. Формула М. Г. Курлова представляет собой псевдодробь: в числителе отражаются анионы, в знаменателе – катионы. Записываются и анионы, и катионы в порядке убывания содержания (в мг-экв. %) и только те, содержание которых равно или больше 10 мг-экв. %. Слева от дробной линии пишется буква М (минерализация), справа от которой внизу отмечается общая минерализация воды (в г/л). Слева от буквы М записываются газы и специфические микрокомпонентыт(в г/л) в порядке убывания. Справа от дробной линии записывают температуру воды (Т) и дебит скважины или родника (D) (м3/сут):

SO470Cl23

СО20,8М4,2 ————— T18 D0,8.

M61Na30

Формула солевого состава отличается от формулы М. Г. Курлова только тем, что в нее записываются все анионы и катионы независимо от их процентного содержания и не указываются температура воды и дебит:

SO470Cl23HCO37

СО20,8М4,2 ———————.

Mg61Na30Ca9

Записанный выше в виде формулы М. Г. Курлова и формулы химического состава анализ характеризует воду соленую (сухой остаток 4,2 г/л), сульфатную (SO42– = 70 мг-экв. %), натриево-магниевую (Mg2+ = 61 мг-экв. %, Na+ = 30 мг-экв. %), содержащую углекислоту (СО2 = 2,8 мг/л).

Запись состава природных вод записывается по формуле Курлова и при геоэкологических исследованиях [49].

Для графического изображения химического состава и систематизации анализов существует несколько способов. Простейшим из них для изображения единичных анализов является график-прямоугольник (рис. 15). График строится в виде двух вертикальных или горизонтальных прямоугольников, на одном из которых в масштабе нанесены % - эквиваленты анионов, на другом – %-эквиваленты катионов в последовательности, определяемой относительно реактивной силой: К , Na , Mg , Ca , Fe2+, Mn2+, H+, + + 2+ 2+

Cl–, NO3–, Br–, J–, SO42–, HCO3–, CO32–, OH–. В полосе между прямоугольниками анионов и катионов отражается наличие гипотетических солей.

Построение карт в изолиниях (структурных).

 Из всех видов карт в геологии нефти и газа чаще всего использу­ются карты в изолиниях. В изолиниях изображаются нефтенасыщенность, коллекторские свойства пластов, их эффективные мощ­ности, пластовые давления и многие другие параметры. Но самыми распространенными в нефтегазовой геологии являются структур­ные карты — одна из разновидностей геологических карт в изолини­ях. Они отображают в стратоизогипсах положение геологической граничной поверхности (кровли или подошвы пласта) относительно уровня моря. Стратоизогипсы – это линии, соединяющие на плане точки с одинаковыми абсолютными отметками геологической гра­ничной поверхности, проведенные через равные высотные интерва­лы.

      Другими словами, структурная карта – это карта подземного ре­льефа геологической граничной поверхности. Структурные карты хорошо поддаются алгоритмизации и последующему построению на ЭВМ. Методы построения структурных карт применима для лю­бых карт в изолиниях. Структурные карты позволяют оценивать и анализировать условия залегания граничных поверхностей как в пределах крупных регионов, так и на отдельных разведочных пло­щадях и месторождениях нефти и газа. Две структурные карты – кровли и подошвы позволяют охарактеризовать строение и условия залегания одного слоя, прогнозировать наличие или отсутствие ло­вушек для залежей нефти и газа. Несколько структурных карт позво­ляют установить взаимное расположение различных геологических граничных поверхностей, например, совпадение или смешение сво­дов локальных поднятий. При наличии разрывных дислокаций на структурной карте показываются линии пересечения структурной поверхности с ними.  

Структурная карта дает представление о строении недр и воз­можность правильно и целенаправленно планировать проведение поисковых и разведочных работ, определять контуры открытых скоплений, нефти и газа, оценивать их запасы и проектировать раз­работку месторождений. Структурные карты строятся по данным бурения, или по геофизическим профилям.

В зависимости от качества и количества исходных данных, а так­же геологического строения района чаще всего пользуются следую­щими методами построения структурных карт инвариант, способом треугольников, схождения и профилей. При применении любого из методов сначала необходимо определить масштаб будущей карты и величину сечения изолиний.

В геологической практике масштаб структурной карты обычно обусловлен геологическими задачами и обоснованностью фактичес­ким материалом. Наиболее распространенные масштабы: 1:5000, 1:10000, 1:25000  , 1:50000 и 1:100 000. Затем на топооснову наносят расположение скважин. На практике количество точек (скважин), необходимых для построения структурной карты, варьируется от 0,6-0,3 на 1 км² для масштаба 1:200 000 до 6-12 для масштаба 1:10 000

При выборе сечения изогипс, основным правилом является дос­таточная детальность карты и неперегруженность ее лишними ли­ниями. При пологом залегании геологической граничной поверхно­сти оно обычно берется равным 5 или 10 м, для крутопадающих поверхностей – 25, 50 и 100 м. Сечение определяется также и масшта­бом карты: чем крупней масштаб карты, тем меньше сечение изогипс, а также количеством скважин, по данным которых построена данная карта. Существуют различные подходы к выбору сечения стратоизогипс, но, в общем, необходимо, чтобы в зонах самого боль­шого сгущения изогипс просвет между ними был бы не менее 2 мм, иначе они сольются. В тех случаях, когда стратоизогипсы оказыва­ются слишком редкими, между ним на отдельных участках можно проводить дополнительные, с половинным сечением. Как правило, для построения учебных структурных карт бывает достаточно 10 стратоизогипс. Тогда для определения их сечения необходимо вы­числить разность между максимальной и минимальной абсолютны­ми отметками структуры (с учетом знаков), полученное число разде­лить на 10 и округлить.

Обычно сечение изогипс округляется до 5, 10, 25, 20, 100 и т.д.

Затем следует, проанализировав фактический материал, устано­вить примерную форму структуры, наметить ее ось, линии максимальных и минимальных отметок. Для простейших оценок руковод­ствуются обычно следующими признаками:

·      если в центральной части площади абсолютные отметки геоло­гической опорной поверхности больше, чем на ее периферии – пе­ред нами антиклиналь;

·      если в центральной части площади абсолютные отметки мень­ше — синклиналь;

·      если значения абсолютных отметок имеют тенденцию умень­шаться в каком-либо направлении – перед нами моноклиналь.