Экзаменационный билет № 11

1. Систематизация месторождений подземных вод по степени сложности гидрогеологических условий: критерии; группы сложности; практическое использование.

По степени сложности геолого-гидрогеологических условий МПВ

подразделяются на четыре группы

Группа I - месторождения с простыми гидрогеологическими и геохимическими условиями, со спокойным залеганием водоносных горизонто в, выдержанных по мощности, строению и фильтрационным свойствам водоносных бассейнов, конусов выноса предгорных шлейфов и межгорных впадин, частично надморенных и межморенныхводно ледниковых отложений, а также расположенные в речных долинах, при условии обеспеченного восполнения ЭЗ за счет поверхностных вод.

Группа II - месторождения со сложными гидрогеологическими условиями вследствие невыдержанности мощности, строения или фильмтрационных свойств водовмещающих пород при простых гидрогеохимияческих условиях (в артезианских бассейнах, связанных с водоносными горизонтами трещиноватых пород, в надморенных и межморенныхводноледниковых отложениях невыдержанной мощности и неоднородных по фильтрационным свойствам водовмещающих пород и др.);

- месторождения со сложными гидрогеохимическими условиями, характерными для многих месторождений в песчаных массивах пустынь, полупустынь и артезианских бассейнах.

К этой же группе относятся месторождения, ЭЗ ПВ в которых периодически восполняются за счет поверхностных вод, в ограниченных по площади структурах или массивных трещинных и трещинно-карстовых пород.

Группа III - месторождения с очень сложнымигидрогеологически-

ми условиями вследствие высокой изменчивости мощности и строения водоносных горизонтов и фильтрационных свойств водовмещающих пород месторождения в краевых частях артезианских бассейнов платформенного типа с неявно выраженными источниками формирования ЭЗ ПВ;

- с ограниченным распространением водоносных горизонтов - месторождения трещинно-карстовых и трещинно-жильных вод, не связанные с поверхностными водами, сквозных таликов в областях развития ММП;

- с весьма сложными гидрогеохимическими условиями. К этой же группе относятся месторождения питьевых и технических вод, эффективная разработка которых возможна только при искусственномподпитывании водозаборов (горизонтальных и лучевых), когда при их разведке необходимо строительства разведочно-экспериментального водозабора.

Группа IV - месторождения или участки недр с исключительно сложными геологическим строением, гидрогеологическими, газогидрохимическими и горно-геологическими условиями. Характеризуются резкойизменчивостью распространения в плане и разрезе коллекторов трещиноватых зон в породах различного генезиса. Источники формирования запасов не могут быть определены достоверно. Количественные прогнозы расходов, уровней, качества, температуры могут быть выполнены по даннымдлительных выпусков (откачек) или опытно-промышленной эксплуатации.4-я группа выделяется для месторождений или участков недр минеральных подземных вод, приуроченных к зонам обводненных разломов.

При этом необходимо учесть, что отнесение месторождения или участка к той или иной группе требуют обоснования в каждом конкретномслучае.

2. Факторы, процессы и обстановки формирования состава подземных вод. Химические анализы природных вод. Макро - и микрокомпоненты, газы, органические вещества и микрофлора в подземных водах. Современные методы изучения состава воды: ВЭЖХ; ИСП-МС.

Факторы:

1. физико-географические (рельеф, гидрология, климат, седиментация, выветривание),

2. геотермические (термальные воды содержат кремнекислоту выпадающую при остывании раствора, температура определяет фазовое состояние воды, вязкость и плотность),

3. геологические (геол. строение, тектоника, состав горных пород, магматизм, газы),

4, гидрогеологические,

5. физические факторы давление, время пространство (от давления зависит темп водообмена и миграция газа, пространство – площадь и глубина рассеяния гидрогеологической структуры.

6. микробиологические

7. искусственные факторы – созданные человеком (плотины каналы) и др..

Процессы, переводящие вещество в раствор:

гидролиз — это реакция взаимодействия минералов с продуктами диссоциации воды.

Выщелачивание и растворение. Выщелачивание - процесс перехода в раствор какого-либо элемента из минерала без нарушения его кристаллической решетки, а растворение — переход всех элементов, входящих в состав минерала, с разрушением кристаллической решетки. Выщелачивание горных пород, сопровождается другими процессами, из которых необходимо отметить смешение вод, выпадение солей, концентрирование, диффузию (перераспределение вещества в неподвижной среде, приводящее к выравниванию концентрации раствора), микробиологические процессы.

Смешение вод с различной общей минерализацией и неодинаковым хим. составом имеет широкое распространение. Преобладающее количество типов природных вод по существу являются сложными смесями вод различного генезиса и состава.

Обстановки формирования состава п.в.

1) Грунтовые воды. Формирование состава зависит от физики-географических факторов, протекают процессы: а) в условиях гумидного климата преобладает выщелачивание (растворение); б) в аридных условиях – протекают процессы континентального засоления происходит фильтрационный массоперенос, гидролиз(вещество в раствор — это реакция взаимодействия минералов с продуктами диссоциации воды). В аридном климате континентальное засоление происходит стадийно:1) повышениеминерализации, 2) происходит выщелачивание почв и горных пород 3) обменно-сорбционные (реакция подземных вод с почвами). Выщелачивание (процесс перехода в раствор какого-либо элемента из минерала без нарушения его кристаллической решетки, а растворение — переход всех элементов, входящих в состав минерала, с разрушением кристаллической решетки.).

2) Напорные воды. А) пластовые воды. Происходит диффузия (перераспределение вещества в неподвижной среде, приводящее к выравниванию концентрации раствора). Термодинамические обстановки связанны с давлением (с растворимостью газа), а температура на развитие микроорганизмов. В условиях затрудненного водообмена. Б) трещинно-жильные воды в разломах. По составу эти воды очень разнообразны от ультраосновных до рассолов. Также меняется рН от 2,5 до 11 и по температуре обычные и термальные

3) Подземные воды под морями и океанами. Рассматривают континентально-субаквальные бассейны, когда пресные воды поступают с континента и разгружаются в акватории морей. 1) Воды гидрокарбонатного состава. 2) Иловые воды. 3) В зоне раздвижения выходят ювенильные воды (подземные воды эндогенного происхождения, поступающие из глубин в подземную гидросферу) сt=300-350°, там же образуются черные курильщики, которые выбрасывают большое количество химическихэлементов.

4) Подземные воды в областях многолетней мерзлоты. В системе вода – мерзлые породы происходит:

1) Вымораживание подземных вод в деятельном слое,

2) Между льдом и растворимом происходит перераспределение солей, т.е. там выпадает в осадок (NaCl, MgCl, CaCl) при оттаивание наледи сульфаты и гидрокарбонаты труднее переходят в раствор в результате образуются корки трудно растворимых солей, минерализация воды становится ниже исходной при многократном оттаивание и промерзании меняется последовательность ряда выщелачивания.

Химические анализы подземных вод:

Анализ нестойких компонентов (компоненты, изменяющие свой состав во времени). Производство анализа осуществляется у водопункта. Нестойкие газы: кислород, СО₂, Н₂, СН₄. растворенное в воде – Fe⁺⁺ соприкасается с кислородом – Fe⁺⁺⁺,Eh, рН.

ОГП: 1,5 л. Определяются общие геохимические показатели воды.

МК: 1,5 л. Определяются микрокомпоненты.

Специальный анализ: изучение содержания радиоактивных элементов. Необоримоеколичествоводы на уран – 0,5 л, на радий – 1,0 л, радон – 0,10 л (определяется в полевых лабораториях с помощью прибора эманометра). Бак. анализ: 0,7 л. санитарно-эпидемиологической службой. не должно пройти 1-4 часа.

Макрокомпоненты (главные компоненты) включают преобладающие элементы и комплексные соединения, составляющие основу п.в.

Главные анионы: Хлор - высокая миграционная способность, не образует труднорастворимых соединений (NaCl; MgCl₂). С ростом минерализации растет содержание хлора.

Сульфаты (SO₄): средняя миграционная способность.

Гидрокарбонаты (HCO₃) преобладает при минерализации до 0,5 г/л. При повышении М количество HCO₃снижается. HCO₃ характерен для пресных вод.

Катионы:Натрий: с ростом минерализации содержание натрия увеличивается.

Кальций - биологически активен, легко сорбируется (глинами, торфом, илами и живыми организмами).

Магний: распространён во всех типах подземных вод. Ведущим является только в пресных водах.

Микрокомпоненты- В природных водах определяется до 80 химических элементов. Химических элементовсодержание которых менее 10 мг/л называются микрокомпонентами. микрокомпоненты (Fe, Cu, Zn, Pb, Al, Be, Mo, и др.) должны обязательно определяться в пресной питьевой воде. Многие типы минеральных вод оказывают на организм человека лечебное воздействие именно благодаря содержанию в этих водах биологически активных микрокомпонентов (Fe, Br, I).

Газы в подземных водах: являются кислород (О₂), сероводород (H₂S), водород (Н₂), метан (СН₄), тяжелые углеводороды, азот (N₂) и благородные газы. Газы в п.в. находятся как в растворенном состоянии, так и в виде свободных газов. Газы делятся на: воздушного происхождения и мантийного. Кислород имеет атмосферное происхождение, фотосинтез.

Углекислота (СО2) возникает при биохимических и химических процессах, протекающих в толщах горных пород земной коры; выделяется при вулканических и метаморфических процессах.

Сероводород находится в виде растворенного газа, H₂S может быть в воде в свободном виде. Он восстановитель.

Метан и тяжелые углеводороды образуется в результате разложении органического вещества в нефтегазоносных районах и угольных бассейнах, на болотах и торфяных озерах.

Азот и благородные газы (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон) являются инертными газами.

Органические компоненты. В подземных водах содержатся все группы органических веществ – углеводы, белки, жиры и все классы химических содержаний – углеводороды, сперты, эфиры, органические кислоты, амины. В гидрогеологии содержание органических веществ оценивается обобщенным показателем – C_орг, т.е. наличие органического углерода. C_орг выражается в мг/л. Максимально органических веществ содержится в морских илах, почвах и подземных водах нефтегазовых месторождений и горных породах.

Микроорганизмы.Различают бактерии аэробные и анаэробные. Первые живут и развиваются только при наличии свободного кислорода, который используется ими для дыхания. Вторые живут при отсутствии или при ограниченном доступе свободного кислорода и необходимый для них кислород черпают из кислородосодержащих органических соединений (углеводов) или из минеральных солей – нитратов, сульфатов. Аэробные условия характерны для поверхности суши, для реч­ных и озерных водоемов и неглубоких морей. Анаэробная бакте­риальная деятельность протекает в застойных водных бассейнах ‑ болотах, озерах, лиманах, на дне глубоких морей и в толще осадоч­ных пород ниже зоны аэрации.

ВЭЖХ – один из эффективных методов разделения сложных смесей веществ, широко применяемый как в аналитической химии, так и в химической технологии. Основой хроматографического разделения является участие компонентов разделяемой смеси в сложной системе Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий (преимущественно межмолекулярных) на границе раздела фаз. Как способ анализа, ВЭЖХ входит в состав группы методов, которая, ввиду сложности исследуемых объектов, включает предварительное разделение исходной сложной смеси на относительно простые. Полученные простые смеси анализируются затем обычными физико-химическими методами или специальными методами, созданными для хроматографии.

Принцип жидкостной хроматографии состоит в разделении компонентов смеси, основанном на различии в равновесном распределении их между двумя несмешивающимися фазами, одна из которых неподвижна, а другая подвижна (элюент).

Отличительной особенностью ВЭЖХ является использование высокого давления (до 400 бар) и мелкозернистых сорбентов (обычно 3—5 мкм, сейчас до 1,8 мкм). Это позволяет разделять сложные смеси веществ быстро и полно (среднее время анализа от 3 до 30 мин).

Метод ВЭЖХ находит широкое применение в таких областях, как химия, нефтехимия, биология, биотехнология, медицина, пищевая промышленность, охрана окружающей среды, производство лекарственных препаратов и во многих других.

Масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС) — это разновидность масс-спектрометрии, отличающаяся высокой чувствительностью и способностью определять ряд металлов и нескольких неметаллов в концентрациях до 10⁻¹⁰%, т.е. одну частицу из 10¹². Метод основан на использовании индуктивно-связанной плазмы в качестве источника ионови масс-спектрометра для их разделения и детектирования. ИСП-МС также позволяет проводить изотопный анализ выбранного иона.