книги из ГПНТБ / Сыдыков, Ж. С. Гидрохимические классификации и графики

каза состава минеральных вод Германии. В России такого ро­ да графики использовались в 1910—1911 гг. Л. Я. Ячевским, в 1912—1914 гг. Э. Э. Карстенсом, А. Н. Огильви, Ж. И. Штанге, в 1926 г. Н. Н. Славяновым. Составные части воды отображались в виде расположенных рядом

ческих графиков все же мало обращали внимания на опыт изображения многокомпонентных систем в других отраслях знаний. В частности, в петрохимии более совершенные гра­ фики, типа треугольников Фере, для изображения трехком­ понентных систем, причем не одиночных, а массовых анали­ зов, были использованы еще в 1873 г. американским ученым

91

Дж.' Гиббсом, позже (1893 г.) в несколько ином виде — Б. Розебомом, а в 1896 г. — Е. С. Федоровым. Тем не менее эти первые, простые по форме графики дали возможность произвести сравнение различных типов подземных вод.

В последующие годы в связи с дальнейшим развитием гидрогеологии, проникновением в нее химических и физико­ химических методов, а позже с возникновением и интенсив­ ным развитием новой отрасли гидрогеологии — гидрогеохи­ мии — в процессе накопления всевозрастающего количества аналитических данных разными исследователями предлага­ лись многочисленные и разнообразные по форме, содержа­ нию и принципам построения гидрохимические графики.

100%

Рис. 18. Графики-треугольники, построенные по ме­ тоду Дж. Гиббса (А) и Б. Розебома (Б).

Среди предложенных графиков наибольшее распростра­ нение получила треугольная форма изображения анализов по методу Дж. Гиббса (рис. 18, А). На них анионы и катионы наносятся (в процент-эквивалентах) отдельно на двух само­ стоятельных фигурах. Этот тип графика имеет большое пре­ имущество перед другими способами, несмотря на то, что первоначально несколько затруднительным явилось нанесе­ ние на него результатов анализа и особенно чтение по нему найденного состава воды, если даже одна из сторон треуголь­ ника горизонтальна. На это указывал в 1893 г. Б. Розебом, предложивший свой способ нанесения трехкомпонентного состава смеси в треугольной диаграмме (рис. 18, Б). Кроме того, раздельное изображение анионов и катионов на двух самостоятельных треугольниках затрудняло составление ло­ гического суждения об едином составе подземных вод. В свя­ зи с этим некоторыми исследователями были предложены различные варианты совмещения ионных треугольников, в том числе путем их наложения И изображения анионов й ка­ тионов одной векторной диаграммой (Роговская и Морозов, 1964).

93

Из других типов диаграмм следует указать на графикиквадраты (самостоятельно или в сочетании с треугольника­ ми), графики-круги, прямоугольники и различные фигура­ тивные диаграммы, нередко применяемые как у нас, так и за границей. Большинство из этих графиков имеет плоский характер, но предложены и отдельные виды диаграмм, позво­ ляющих пространственно изображать состав вод. Однако про­ странственный способ в гидрогеологии пока не получил при­ менения и в этом направлении не было достаточно приемле­ мых предложений, за редким исключением (Шишокин, 1925; Четвериков, 1957; Дуров, 1959, 1961). Поэтому далее речь будет идти только о графических способах, изображаемых на одной плоскости.

Следует указать еще на общие принципы построения гидрохимических диаграмм. Эти принципы разработаны Н. С. Курниковым (1917, 1925 гг.).. На основании изучения последовательности изменения «состава — свойств» много­ компонентных систем (к которой относятся и природные воды с разнообразными растворенными компонентами) он строго научно обосновал необходимость построения хими­ ческих диаграмм этих систем с соблюдением двух основных принципов — непрерывности и соответствия.

Согласно принципу непрерывности, при преобразовании состава многокомпонентных систем (в частности, подземных вод) их свойства изменяются также последовательно. Поэто­ му геометрические образы (диаграммы), отражающие эти изменения, должны быть непрерывными. В гидрогеологии этому принципу отвечает графический показ непрерывности перехода одних типов подземных вод в другие. Согласно второму принципу (соответствия), каждой фазе или каждому комплексу многокомпонентной системы отвечает строго опре­ деленный геометрический образ на химической диаграмме. Это применительно к рассматриваемому вопросу означает, что каждый компонент солевого состава подземных вод должен иметь свое строгое, определяемое по правилам гео­ метрии, положение на графиках.

Между тем, как справедливо отметил С. А. Дуров (1959, 1961), во многих графических построениях, принципы не­ прерывности и соответствия не наблюдаются, вследствие чего строгий математический анализ нанесенных на них данных становится невозможным. Такие графики (например, целая группа графиков-квадратов А. А. Бродского, 3. А. Макеева, С. А. Щукарева и других, круговые диаграммы Ф. А. Макаренко, К. В. Филатова и прочие В. А. Сулина и других) нередко остаются лишь наглядным изображением результатов полученного аналитического материала и зара­

94

нее сделанных выводов, не позволяют решить конкретные гидрохимические и генетические вопросы. Это обстоятель­ ство должно быть учтено в дальнейшем при выборе наиболее рациональных способов графического построения в гидрогео­ химии и в их усовершенствовании. Но здесь, исходя из того же принципа, который был принят нами при группировке гидрохимических классификаций, отметим, что имеющиеся в настоящее время графики и диаграммы по своей емкости и принципам построения можно разбить на четыре основ­ ные группы:

1)графики, отражающие относительное содержание и характерные соотношения основных ионов подземных вод;

2)графики, отражающие содержание (абсолютное и отно­ сительное) основных и специфических компонентов подзем­ ных вод;

3)графики, отражающие относительное содержание основных ионов и солевого состава подземных вод;

4)графики, отражающие химический, газовый состав и физические свойства подземных вод.

Приведем краткое описание отдельных графиков и диаг­ рамм для каждой из выделенных групп, наиболее распро­ страненных и приемлемых для массовых гидрогеологичес­ ких исследований.

Графики, отражающие относительное содержание

ихарактерные соотношения основных ионов подземных вод

Кэтой группе относится основная часть графиков, отражающих результаты как единичных, так и массовых химических анализов вод, выраженных в процент-эквивален­ тах. К ним принадлежат простые прямоугольные диаграммы Дж. Ш. Роджерса (1917 г.), Е. М. Паркса (1925) и лучистые диаграммы X. Стиффа (1951), И. Хема (1959), И. Г. Глухова (1963 г.), а также более сложные графики-квадраты С. А.

Щукарева (1934), Н. И. Толстихина (1933, 1937, 1964, К. В.

Филатова (1948), 3. А. Макеева (1951 г.), А. А. Бродско­ го (1953), О. А. Бозояна (1959), Г. А. Вострокнутова (1959), О. С. Джикии (1963), треугольники типа Фере, круговые диаграммы К. В. Филатова (1948), В. М. Левченко (1948), Ф. А. Макаренко (1949), комбинированные диаграммы В. А. Сулина (1946), Е. В. Посохова (1957, 1961), В. П. До­ рошенко (1964), М. П. Елисеевой (1967) и др.

Диаграмма Дж. Ш. Роджерса (1917 г.) возникла как наглядная форма графического изображения классификации Ч. Пальмера. В СССР она стала широко применяться гидро­ геологами и нефтяниками после перевода книги автора на русский язык в 1924 г.

95.

Диаграмма состоит из трех равной длины параллельных полос, примыкающих друг к другу и разделенных по длине на 100 частей (процент-эквивалентов). На крайних полосах откладываются слева направо кислоты (на нижней) и осно­ вания (на верхней) в порядке их убывающей реактивной силы по принципу Р. Фрезениуса. На средней полосе полу­ чаются характеристики Ч. Пальмера (основные свойства воды) путем пересечения линий, отвечающих процентным содержаниям анионов и катионов (рис. 19, А).

so

ложил откладывать на крайних полосах не суммы сильных, слабых кислот и оснований, а отдельные ионы. Тогда на средней полосе, естественно, получаются не характеристики Ч. Пальмера, а гипотетические соли (рис. 19, Б). В таком виде этот график носит название Роджерса — Кашинского.

В последние годы способ Дж. Ш. Роджерса как у нас (Резников, Муликовская, Соколов, 1970), так и за границей (Дэвис и де Уист, 1970) стал применяться в виде двух парал­ лельных и сопряженно расположенных столбиков для отоб­ ражения процент-эквивалентных количеств анионов и кати­

Дж. Ш. Роджерса и Л. Грюйхута. Она предназначена также для графического отображения классификации Ч. Пальмера. Здесь на трех сопряженно расположенных полосах изобра­ ) жавши в процент-эквивалентах, начиная с нижних, содержа­

96

При всей своей наглядности эти графики имеют в основ­ ном те же недостатки, что и классификация Ч. Пальмера, — гипотетичность выделенных солей и несоответствие их дей­ ствительным природным условиям (хотя бы потому, что разноминерализованные воды не различаются графически).

Рис. 20. Графическое изображе­ ние химического состава подзем­ ных вод по методу Е. М. Паркса (I, III, V — классы вод, по Ч. Пальмеру).

Графики И. Г. Глухова, X. Стиффа, И. Хема составлены в продольных и радикальных координатах для отображения также единичных анализов. Наиболее простым из них явля­ ется г р а ф и к X. С т и ф ф а (1951), применяемый в США. Ионный состав воды на нем изображается в продольных координатах в миллиграмм-эквивалентном выражении. Здесь содержание анионов и катионов откладывается на отрезках по обе стороны от вертикали. Затем путем соединения кон­ цов отрезков получают определенные узорчатые очертания, отражающие состав вод и их концентрации — общую вели­ чину фигуры (рис. 21, А).

Рис. 21. Графики химического состава подземных вод в продоль­ ных й радиальных координатах по методу X. Стиффа (4), И. Хе­ ма (В) и И. Г. Глухова (В).

Несколько иной порядок расположения анионов и катио­ нов принят в г р а ф и к е И. Х е м а (1959), также приме­ няемом в США и построенном в радиальных координатах (рис. 21, Б). На каждом из шести лучей, проведенных под углом 60° один относительно другого, в определенном масш­ табе в миллиграмм-эквивалентах откладываются анионы и катионы. При соединении концов ионных отрезков, так же как и по методу X. Стиффа, образуется фигура, величина которой в известной мере позволяет судить о минерализации воды.

На аналогичном г р а ф и к е И. Г. Г л у х о в а (1963 г.), названном им «розой ионного состава подземных вод», поми­ мо шести главных ионов (выраженных в отличие от метода Стиффа — Хема в процент-эквивалентах) в центре «розы» в масштабе отмечается минерализация воды в граммах на литр (рис. 21, В).

При всей оригинальности и наглядности все же непосред­ ственно из указанных типов графиков трудно получить конкретное представление о соотношениях между отдельны­ ми ионами, образующими специфические соединения.

График-таблица С. А. Щукарева (1934) служит иллюстра­ цией гидрохимической классификации этого автора, изло­ женной выше. Он построен на основе формулы М. Г. Курло-

только те ионы, содержание которых составляет не менее 25%-экв. Это является одним из основных его недостатков, поскольку он отражает не весь солевой, в том числе даже основной, состав подземных вод. Кроме того, по графику нельзя определить конкретный преобладающий анион или катион при наличии в воде нескольких ионов с содержани­ ем более 25 %-эке.

98

Последовательно комбинируя типы вод по содержанию анионов с типами вод по содержанию катионов, автор полу­ чает 49 классов, каждый из которых имеет свой номер (по номеру квадрата).

На графике, естественно, не соблюден принцип непрерыв­ ности, поскольку каждая наносимая на него точка анализа не имеет своего строго зафиксированного места. Поэтому по положению таких точек нельзя установить определенные закономерности и линейные зависимости. Принцип соответ­ ствия соблюдается лишь качественно для отдельных точек: смешение двух различных вод может быть отражено в не­ которых частных случаях (и то по желанию составителя)» а в большинстве случаев состав смешиваемой воды оказы­ вается не на одной прямой.

В последующие годы по принципу А. С. Щукарева составлено множество таблиц-графиков, большинство из которых имеет указанные выше недостатки.

Графики-таблицы А. А. Бродского, О. А. Бозояна, Г. А . Вострокнутова, О. С. Джикии и 3. А. Макеева построе­ ны по одному принципу и базируются, так же как и анало­ гичный график А. С. Щукарева, на формуле М. Г. Курлова. При этом одни авторы (например, А. А. Бродский) совсем не учитывают третий по количеству анион и катион, а другие (Г. А. Вострокнутов, О. А. Бозоян) отбрасывают компоненты, содержание которых меньше 20 %-экв. В первом случае чис­ ло классов (или типов) вод по сравнению со схемой С. А. Щукарева уменьшается до 36, а во втором возрастает

абсцисс и ординат откладываются соответственно первые и вторые по преобладанию катионы и анионы (рис. 4). Резуль­ таты каждого анализа наносятся на один из 36 квадратиков не в виде точек, а в виде значка, отражающего степень мине­ рализации воды. При нанесении на график данных многих анализов по большому району или в разрезе место отбора отдельных проб обозначается специальным индексом или буквой.

Благодаря простоте построения график А. А. Бродского пользуется большой популярностью среди гидрогеологов. Общие недостатки, характерные почти для всех графиков подобного рода, отмечены выше. Кроме того, здесь по нане­ сенным данным нельзя дать полного и точного названия состава воды, поскольку на графике отображены не все ионы, и невозможно самостоятельно выделить конкретный анион и катион, даже в случае его абсолютного преоблада-. ния.

3?::

На г р а ф и к а х Г. А. В о с т р о к н у т о в а (1959)

иО. А. Б о з о я н а (1959), построенных аналогичным спо­ собом, но с учетом всех анионов (наносимых на оси ординат)

икатионов (на оси а'бсцисс), содержащихся в количестве не менее 20 %-экв, по составу выделяются соответственно 175

оси ординат) опускается до 1 0 %-экв (при условии, что сум­

ма положительных и отрицательных радикалов в отдель­ ности принимается за 100). В результате этого возможность определения по ней (рис. 1) более полного и точного наиме­

нования состава вод больше, чем по описанным выше анало­ гичным графикам.

«Решающая возможность» диаграмм для получения пол­ ного наименования химического состава подземных вод по сравнению с рассмотренными графиками существенно рас­ ширена на г р а ф и к е - к в а д р а т е О. С. Д ж и к и и (1963). Это достигнуто путем учета при его построении всех анионов (на оси ординат) и катионов (на оси абсцисс), имею­ щих содержание не менее 1 %-экв. Здесь уже выделяется 625 групп природных вод (рис. 3), охватывающих почти все их химические разности.

График-квадрат Н. И. Толстихина (1931, 1937) является одним из первых удобных диаграмм, примененных у нас для обработки и систематизации большого числа анализов подземных вод. Результат каждого анализа изображается здесь одной точкой в строго зафиксированном месте графи­ ка. Местоположение точки определяется процент-эквивалент- ным содержанием анионов (откладываемых по вертикали) и катионов (по горизонтали). Количество суммы Ca"+Mg" увеличивается слева направо при одновременном уменьше­ нии в том же направлении количества Na'+K'. Для анио­ нов содержание НСОз увеличивается снизу вверх с одновре­

менным уменьшением содержания суммы сильных кислот Cr+SO"4. Путем разделения общего квадрата на 100 мелких квадратиков со стороной, соответствующей 1 0 %-экв, и их

нумерации справа налево присваивается каждому анализу вод определенный номер по графику (рис. 6).

Квадрат Н. И. Толстихина может быть использован для графического нахождения основных характеристик и клас­ сов Ч. Пальмера. Так, если провести в квадрате диагональ из нижнего левого угла в правый верхний, то воды I класса (при отсутствии определения тяжелых металлов) располо­ жатся над диагональю, II класса — на самой диагонали,

100