Лекция №6. Физические свойства и химический состав подземных вод, их классификации

1. Физические свойства подземных вод

2. Химический состав подземных вод

И.К.Зайцев выделил 4 группы признаков, которые могут быть положены в основу классификаций подземных вод:

1. Физические — физические свойства воды как растворителя, ее динамические свойства и т.п.

2. Химические — состав растворенных в воде солей и газов.

3. Генетические — происхождение воды, солевых и газовых ком­понентов ее состава.

4. Собственно гидрогеологические или общегеологические — ха­рактер распространения и циркуляции воды в породах, формы залегания водоносных пород, их состав и др.

Физические свойства подземных вод.

Классификации по температуре

Существуют многочисленные классификации подземных вод по температуре.

Отраслевой стандарт 1986 г. (ВСЕГИНГЕО) рекомендует пользо­ваться в производственной практике такой классификацией: ниже 0° С — переохлажденные, 0 — 4° С — очень холодные, 4 - 20° С - холодные, 20 — 37° С — теплые, 37 — 50°С — очень теплые, 50 — 75° С — горячие, 75 — 100° С — очень горячие, 100 - 200° С - слабоперегретые, свыше 200° С — весьма перегретые.

Температура вод является одним из важнейших показателей сре­ды их существования. Она закономерно изменяется с глубиной. По температурному режиму в земной коре выделяют 3 зоны.

1. Верхняя — верхние части подземной гидросферы мощностью 1 — 40 м. Для нее характерны суточные и сезонные колебания тем­пературы, вызываемые неравномерным поступлением солнечного тепла.

2. Средняя — зона постоянных температур, практически не ме­няющихся в течение года и близких к среднегодовой температуре воздуха данной местности. Максимальная глубина залегания этой зоны 30 — 40 м.

3. Нижняя (внутренняя) зона характеризуется постоянным уве­личением температуры с глубиной за счет тепла радиоактивного распада. Изменение температуры с глубиной влияет на содержание в водах солей и газов.

От температуры зависят многие физические характеристики подземных вод: удельный вес, сжимаемость и др., имеющие большое практическое значение.

Удельный вес — отношение веса исследуемой воды к весу равно­го объема дистиллированной воды при той же температуре или при 4° С. Для подземных вод он всегда больше единицы, а для рассолов достигает 1,2 — 1,3 г/см³ и более. Обычно, чем ниже температура (до +4° С) и выше минерали­зация воды, тем выше удельный вес. В поле он определяется арео­метрами, в лаборатории — пикнометрическим методом.

Сжимаемость, по Ю.П.Гаттенбергеру (1971), это параметр, ха­рактеризующий изменение объема жидкости под действием давле­ния. Сжимаемость зависит от газонасыщенности, температуры, химического состава воды (давление уменьшает объем жидкости, а рост температуры и содержание растворенного газа ведут к его уве­личению). Объемный коэффициент (отношение объема жидкости в пластовых условиях к объему в условиях поверхности) показыва­ет, во сколько раз объем жидкости в пласте больше объема ее на поверхности. Для природных вод он редко более 1,2 (для сравнения - для нефтей до 2 и более). Сжимаемость используется при опреде­лении режима нефтегазоносных пластов.

Вязкость зависит от температуры и минерализации воды: чем больше температура, тем ниже вязкость; чем больше минерализа­ция, тем выше вязкость. Величина вязкости используется при оп­ределении скорости движения подземных вод.

Электропроводность характеризуется величиной удельного элект­рического сопротивления и зависит от минерализации воды: чем выше минерализация, тем оно ниже. Для вод нефтегазовых месторожде­ний оно изменяется от 0,05 (рассолы) до 1 ом*м (слабо соленые воды).

Органолептические свойства (органос — организм, лептос — способность) определяются при помощи органов чувств непосредственно на опробуемом водопроявлении. ГОСТ 2761-84 «Источники централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения. Гигиенические, технические требования и правила выбора» рекомендуют следующие определения.

Запах определяется при нагревании воды до 60° С качественно в баллах: 1 — без запаха, 2 — слабо ощутимый, 3 — ощутимый, 4 — сильный. Основная причина появления запаха — гниение органических веществ. Питьевая вода не должна обладать каким-либо запахом.

Привкус определяется качественно в баллах при 20° С (по типу запаха). Питьевая вода должна быть приятной на вкус. А вообще, бывают привкусы — горький, кислый, сладкий, соленый. Горький привкус обусловлен присутствием сульфатов магния в количестве более 450 мг/дм³. Кислый вызывается гуминовыми кислотами (болотные воды), серной кислотой, возникающей при окислении пирита (угольные, рудные месторождения). Сладкий привкус — следствие появления в водах продуктов разложения органики. Такие воды наиболее опасны. Соленый привкус связан с появлением хлористого натрия в количестве более 300 мг/дм³.

Цветность определяется в градусах условной шкалы. Химически чистая вода бесцветна, а в большой массе приобретает голубой оттенок. Бурый цвет воде придают гуминовые кислоты, тонкие взвеси гидроокислов.

Мутность выражается в мг взвеси на 1 дм³ воды. Она вызывается механическими взвесями, нефтяными и газовыми эмульсиями. Различают воду прозрачную, слабо опалесцирующую, опалесцирующую, слегка мутную, мутную, сильно мутную.

Классификация по напору. Подземные воды по напорным свойствам делятся на 2 категории:

1. Безнапорные — воды, находящиеся только под влиянием атмосферного давления, при изменении которого меняется и высота их уровня в скважинах.

Рис. Уровень безнапорных вод устанавливается в скважинах на отметках вскрытия (СУ — установившийся статический уровень)

2. Напорные воды залегают в проницаемых слоях между двумя водоупорами. При вскрытии скважинами уровень воды поднимается по стволу на ту или иную высоту над кровлей водоносных пород (подошвой верхнего водоупора) в зависимости от того, насколько ее давление выше атмосферного. Высота подъема воды в скважине (рис.) называется напором (Н). Уровень воды, установившийся в скважине после вскрытия водоносных пород, называется статическим (СУ), или установившимся уровнем. При откачке он понижается на величину S, называемую понижением. Вокруг скважин формируется депрессионная воронка с радиусом влияния (депрессии) R. Уровень, установившийся при откачке, называется динамическим (ДУ).

Рис. Уровень напорных вод при вскрытии поднимается на определенную высоту. Н — напор, СУ — статический уровень, ДУ — динамический уровень, S — понижение уровня при откачке, R — радиус депрессионной воронки

В зависимости от причин выделяют следующие виды напоров:

1) гидростатический напор – создается за счет разницы уровней в различных частях водонасыщенной толщи. Вода при вскрытии стремится подняться до наиболее высокого уровня, занимаемого ею в водоносной толще, по принципу сообщающихся сосудов (рис.)

2) лито(гео)статический напор – возникает в результате уплотнения мощных глинистых толщ, сопровождаемого отжатием воды из глин в пласты – коллекторы, в которых создается избыточное давление. Уплотнение пород при этом происходит под влиянием литостатического давления, оказываемого вышележащими толщами (рис).

3) тектонический напор – создается при тектонических движениях, чаще при напряжениях сжатия, проявляется при горообразовании, землетрясении.

4) термический напор – возникает за счет повышенных тепловых потоков; вода при нагревании уменьшает плотность и стремится занять наиболее высокое положение.

5) антропогенный (техногенный) напор – проявляется в результате закачки воды в недра под высоким давлением.

2. Химический состав подземных вод.

Вода – универсальный растворитель, поэтому в ней всегда присутствуют различные вещества. Состав растворенных в воде веществ называют химическим составом. Химический состав, условия его формирования и изменения изучаются гидрогеохимией. В.И. Вернадский показал, что химический состав воды представляется как подвижная система взаимосвязанных компонентов: порода – вода – газ – живое вещество. Вследствие взаимодействия этих компонентов воды содержат:

1. ионы, образующие истинные растворы (Cl, SO₄, CO₃, HCO₃, Na, Mg, Ca и др.);

2. коллоидные частицы (Al₂O₃, SiO₂ и др.) размером менее 0,0001 мм;

3. твердые вещества, образующие суспензии и взвеси (глина, пыль и т.д.);

4. вещества органического происхождения;

5. растительные и животные микроорганизмы;

6. газы, большей частью органического происхождения (CO₂, CH₄, NH₃, H₂S и др.).

В природных водах известно более 60 элементов таблицы Менделеева. С некоторой долей условности они делятся на макро- и микрокомпоненты. К макрокомпонентам относят ионы, в сумме составляющие более 95% от общего количества растворенных в воде веществ. Они определяют химический тип воды как природного раствора. В качестве макрокомпонентов обычно выступают: Cl, SO₄, CO₃, HCO₃, NO₃, NO₂, K, Na, Mg, Ca, Fe (II и III), NH₄, содержащиеся в воде в миллиграммовых или граммовых концентрациях. Микрокомпонентами называют химические элементы, содержания которых встречаются в очень малых концентрациях (чаще всего менее 0,001 %), это, например, такие вещества как Li, Be, Ba, Br, I, Ni, Cr и др.

Сумма растворенных в воде неорганических веществ составляет ее минерализацию (М), выражаемую в мг/дм³, г/дм³. Согласно ОСТ 41-05-263-86, выделяют следующие градации подземных вод по величине минерализации (г/дм³):

До 0,5 включительно – весьма пресные;

0,5-1,0 включительно – пресные;

1,0-1,5 включительно – весьма слабосолоноватые;

1,5-3,0 включительно – слабосолоноватые;

3,0-5,0 включительно – умеренносолоноватые;

5,0-10,0 включительно – солоноватые;

10,0-25,0 включительно – сильносолоноватые;

25,0-36,0 включительно – слабосоленые;

36,0-50,0 включительно – сильносоленые;

50,0-150,0 включительно – рассолы слабые;

150,0-350,0 включительно – рассолы крепкие;

Более 350,0 – рассолы весьма крепкие.

Кислотно-щелочные свойства воды: по величине pH подземные воды классифицируют на:

Весьма кислые – до 3,5 включительно;

Кислые – 3,5-4,5 включительно;

Умереннокислые – 4,5-5,5 включительно;

Слабокислые – 5,5-6,0 включительно;

Нейтральные – 6,0-8,0 включительно;

Слабощелочные – 8,0-8,5 включительно;

Умереннощелочные – 8,5-9,0 включительно;

Щелочные – 9,0-9,5 включительно;

Весьма щелочные – более 9,5.

Низкие величины характерны для рудничных вод сульфидных месторождений и вод зоны их выветривания. Высокие значения присущи содовым и некоторым термальным водам.

На практике нередко определяют общую жесткость воды, вызываемую солями кальция и магния, и численно выражаемую суммой их мг/экв.-дм³. Количество солей кальция и магния выпавшее при кипячении в осадок называется устранимой жесткостью. По общей жесткости (мг/экв.-дм³) выделяют (по О.А. Алекину):

Очень мягкие – до 1,5

Мягкие – 1,5-3,0

Умеренно жесткие – 3,0-6,0

Жесткие – 6,0-9,0

Очень жесткие – свыше 9,0.

Изучение химического состава вод проводят с целью:

- выявления региональных закономерностей и локальных особенностей формирования подземных вод;

- выявления гидравлической связи отдельных водоносных горизонтов между собой и с поверхностными водами;

- выявление пригодности вод для питьевого и хозяйственного водоснабжения и прогноза возможного изменения их химического состава при эксплуатации ВГ;

- выявления источников и степени загрязнения ВГ и определения мер борьбы с загрязнением;

- использование данных о химическом составе вод в качестве критериев для прогнозирования и поисков, а также возможностей эксплуатации месторождений полезных ископаемых.

Выделяют три основных вида химических анализов:

1. Полный химический анализ – хим. анализ, при котором количественно определяется 20 компонентов (pH, Cl, SO₄, HCO₃, NO₃, NO₂, K, Na, Mg, Ca, Fe (II и III), NH₄, кремниевая кислота, сухой остаток, CO_{2 своб.}, CO_{2 агрес.}, H₂S, общая жесткость, окисляемость.

2. Сокращенный отличается от полного тем, что Na и K определяются суммарно, не определяются CO_{2 агрес.}и H₂S.

3. Полевой – вид сокращенного анализа, проводимый непосредственно у источника без определения сухого остатка и кремниевой кислоты.

Содержание того или иного компонента в подземных водам выражается в ионной форме (мг/дм³, г/дм³), в ион-эквивалентной (мг/экв.-дм³, г/экв.-дм³) и в процент-эквивалентной форме (%-экв. в дм³).

Записываются результаты анализов в таблицы, а также в виде формулы Курлова, формулы ионного состава.

Газовый состав подземных вод. Газы в недрах присутствуют в свободном, растворенном состоянии и могут быть связаны за счет молекулярных сил с отрицательно заряженными частицами грунта. Количество растворенного в воде газа выражается в см³/л или г/дм³. сумма объемов всех газов называется газонасыщенность. Количество газов, находящихся в природных водах колеблется от 10^-4 до 10^-6%. Максимальное содержание газов достигает 0,1 %, встречается в водах восходящих минеральных источников, основным газовым компонентом этих вод является двуокись углерода. Среди газов, растворенных в природных водах, встречаются главным образом O₂, N₂, CO₂, H₂S, CH₄, H и др. Растворимость газов в воде зависит от ряда факторов, таких как, например, глубина залегания и давление. С их увеличением возрастает количество растворенных газов. Восстановительная обстановка способствует накоплению газов. С другой стороны с глубиной увеличивается минерализация и это ведет к снижению растворимости газов в воде. Для большинства газов с увеличением температуры до 100 °С растворимость снижается, при дальнейшем росте температуры начинает увеличиваться. Процессы газообразования идут повсеместно. Генетически все природные газы смешанные. Газовый состав используется в качестве классификационного признака при систематике минеральных вод. Овчинников использовал газовый состав для систематики столовых минеральных вод и выделил:

- воды с газами окислительной обстановки;

- воды с газами восстановительной обстановки;

- воды с газами метаморфической обстановки;

- воды с радиоактивными веществами.