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

коллоидного (или газового) состава. Один из таких вариан­ тов нами показан на рисунке 37.

Векторные диаграммы О. С. Джикии и Л. А. Шиманов­ ского, построенные на базе графика-квадрата Н. И. Толстихина, предложены этими авторами независимо друг от друга в 1963 г.

Nq

100

ке Н. И. Толстихина изображать вектором (рис. 38, А), ниж­ няя точка которого строится по координатам о (соответству­ ет Са) и d (НСОз')» а верхняя — по координатам с (Na7) и / (С17). Вектор, соединяющий эти две точки и представляющий собой гипотенузу прямоугольного треугольника, определяет координаты в (Mg".) и е (SO477). Здесь на абсциссе повышают­ ся (от О до 100 % -же) кальций (слева направо), натрий (спра­ ва налево) и магний (в обе стороны), дополняя до 100%-экв

суммы Са" и Na‘. На ординате также повышаются гидрокарбонат(снизу вверх), хлор (сверху вниз) и сульфат (в обе сто­ роны), дополняя до 100%-экв сумму НСОз7 и С17.

На графике-квадрате упорядоченно располагаются 9 ги­ потетических солей (рис. 38, Б), скомбинированных из шести главных ионов. Верхние и нижние вершины и стороны квад­ рата, а также его вертикальные стороны и диагональ зани­ мают соответственно гидрокарбонаты, хлориды и сульфаты натрия, кальция и магния. Левые и правые вершины и

121

стороны квадрата, а также горизонтальные стороны и диаго­ наль — соответственно натриевые, кальциевые и магниевые соли хлора, гидрокарбоната и сульфата.

Н а в е к т о р н о й д и а г р а м м е Л. А. Ш и м а ­ н о в с к о г о (рис. 38, В), предложенной также для изобра­ жения шестикомпонентного состава подземных вод, конеч­ ные точки вектора определяются координатами иных, чем у О. С. Джикии, ионов: СГ и Na‘ (вместо НС037 и Na у О. С. Джикии), НСОз и Са (вместо С1' и Са). Прямая (вектор),

Рис. 38. Векторные диаграммы химического состава подземных вод: А — по О. С. Джикии; Б — располо­ жение гипотетических солей на диаграмме О. С. Джи­ кии ; В — по Л. А. Шимановскому.

Треугольные векторные диаграммы. Изображение анион­ ного и катионного состава вод на разных треугольниках ввиду разобщенности данных затрудняет сопоставление анализов. Та же разобщенность показаний по анионам и катионам в известной мере присуща и комбинированным диаграммам, рассмотренным выше; лишь в квадратах в какой-то мере учитывается солевой состав вод в целом. Но при большом числе наносимых на график анализов и здесь крайне затруднительно найти первоначальное положение ионов каждого анализа. В этом отношении определенное преимущество имеет совмещенное изображение анионов и катионов на одном треугольнике. Такой принцип построения

анионного и катионного состава, наложенные друг на друга. В вершинах треугольника будут находиться «чистые» соли NaCl, Са(НСОз)г и MgSC>4, а по сторонам треугольника — смеси гипотетических солей: 1— Na2SC>4 и MgCU, 2 — Na(HC03) и СаСЬ, 3 — CaSC>4 и Mg(HC03)2. На самом треу-

122

гольнике химический состав воды изображается прямой линией (вектором), соединяющей две точки: для катионного состава (к) и для анионного (а). Направленность вектора (от к к а) показывает состав гипотетической соли (в данном примере ИаНСОз), а его длина — количество этой соли 56% -же). Кстати, понятие гипотетических солей, предлага­ емое авторами, особенно для слабоминерализованных вод, является устаревшим и вряд ли необходимо для данной диаграммы. Но предлагаемый способ изображения анализа заслуживает одобрения.

Рис. 39. Совмещенные треугольные (векторные) диаграммы хими­ ческого состава подземных вод, по Н. В. Роговской и А. Т. Моро­ зову (А) и И. В. Губенко (Б).

Совмещенная треугольная диаграмма И. В. Губенко (рис. 39, Б) по своему содержанию аналогична описанной. По мнению этого автора, такой принцип изображения ре­ зультатов анализа позволяет наблюдать за изменением ионного состава воды в целом и видеть на диаграмме каж­ дый анализ отдельно даже при большом их числе.

Графики, отражающие химический, газовый состав и физические свойства подземных вод

Графиков этой группы мало, но по сравнению с описан­ ными они более совершенны и многокомпонентны. К ним можно отнести классификационные диаграммы А. М. Овчин­ никова (1954, 1955), В. В. Иванова и Г. А. Невраева (1964), А. Н. Павлова и В. И. Шемякина (1967).

Классификационная диаграмма А. М. Овчинникова

(1954, 1955) разработана в качестве графической основы его «гидрогеохимической системы природных вод». На гра­ фике впервые сделана попытка отобразить генетическую связь между растворенными твердыми веществами (ионами) и газами, формирующимися в трех различных природных обстановках: окислительной, восстановительной и метамор­ фической.

123

Диаграмма представляет собой три больших смежных квадрата, каждый из которых делится на четыре меньших квадрата. По оси абсцисс больших квадратов в процент-экви­ валентах откладываются справа налево содержание N a+K ,

С помощью вспомогательной диагонали в малых квадра­ тах в каждой природной обстановке выделяются по восемь

восстановительной и 1м—VIIIM— для метаморфической.

К недостаткам диаграммы, как и к самой классифика­ ции, относятся некоторая условность отнесения вод к выде­ ленным обстановкам и условность суммирования генети­ чески разной группы ионов (Са" и Mg", НСОз' и SO4").

124

График-таблица В. В. Иванова и Г. А. Невраева (1964)

составлена для отображения не только химического состава, но и бальнеологических свойств подземных минеральных вод. Поэтому число выделяемых на ней разновидностей вод превышает 1000, хотя в настоящее время не все они извест­

вод, т. е. классы (по преобладающим анионам), подклассы (по преобладающем катионам) и минерализация (в граммах на литр), наносятся по оси абсцисс. По оси же ординат на­ носятся: 1) бальнеологические группы вод: а) без «специ­ фических» компонентов и свойств, б) углекислые, в) суль­ фидные, г) железистые, мышьяковистые и с высоким содер­ жанием тяжелых металлов, д) бромные, йодные и с высоким содержанием органических веществ, е) радоновые, ж) кремнистые термальные; 2) подгруппа вод по газовому составу (в пределах каждой группы): а) азотные, б) метано­ вые, в) углекислые. В квадратах, образуемых в результате пересечения вертикальных и горизонтальных линий, парал­ лельных осям абсцисс и ординат, выделяются разнообраз­ ные типы минеральных вод, обладающих определенным комплексом признаков. Внутри графика дополнительными знаками отмечаются воды по температуре, величине pH и содержанию сероводорода, мышьяка и железа.

Классификационная диаграмма А . Н. Павлова и В. Н. Шемякина (1967) сочетает ионный состав подземных вод с их окислительно-восстановительными и кислотно-ос­ новными свойствами. На ней показаны верхняя и нижняя границы (наклонные линии 1 и 4) устойчивости вод в зави­ симости от Eh и pH, границы между водами с окислитель­ ными, переходным к окислительным и восстановительными (линии 2 и 3) составами вод (см. рис. 8). Вертикальные ли­ нии (5—9) соответствуют положениям диссоциации некото­ рых равновесий для вод с pH от 4,1 до 10,3. Этими линиями диаграмма делится на 19 полей, которые характеризуют группы по окислительно-восстановительным (окислительные убывают книзу) и кислотно-основным (убывают слева напра­ во) свойствам.

Гидрохимические номограммы

В гидрогеохимии на основании установления строгой математической зависимости между отдельными параметра­ ми химического состава подземных вод предложен ряд

125

графических приемов нахождения одних параметров по величине других известных — методы номограмм. В настоя­ щее время существует несколько таких номограмм, но рас­ сматриваются нами лишь некоторые из них.

сномограмме-

Рис. 41. Номограмма для вычисления pH воды.

Номограмма для вычисления pH воды. Концентрация водородных ионов (pH) главным образом зависит от хими­ ческого состава, общей минерализации и температуры воды, но в подавляющем большинстве случаев — от соотношения различных форм содержащейся в воде углекислоты — сво­ бодной и связанной. Она может быть вычислена аналити­ чески и при помощи математических формул, но наиболее удобным является использование специальной номограммы (рис. 41), при составлении которой первая константа диссо­ циации угольной кислоты принята равной 3-10-7.

Одновременно следует указать, что различные формы углекислоты (свободная, связанная и др.) находятся между

i2 6

собой в определенной зависимости, которую можно рассчи­ тать. Математически может быть вычислена, например, часть свободной углекислоты, которая будет потрачена на растворение углекислого кальция, т. е. агрессивная углекис­ лота. Она достаточно быстро и точно определяется и графи­ ческим путем (рис. 42).

Содержание агрессивной углекислоеы,ме\п

50 40 зо го ю о

Рис. 42. График для вычисления содержания агрессивной углекис­ лоты в подземных водах, по Ф. Ф. Лаптеву.

Номограмма для вычисления процент-эквивалентов ио­ нов, по Й. Ю. Соколову, применима для подземных вод лю­ бой минерализации и дает результаты с точностью до целых. Принцип вычисления процент-эквивалентной формы по сумме миллиграмм-эквивалентов всех ионов и миллиграммэквиваленту искомого аниона (или катиона) с помощью

ключа к номограмме очень прост (рис. 43) и не требует особых пояснений.

127

Рис. 43. Номограмма для вычисления процент-эквивалентов, по И. Ю. Соколову.

З А К Л Ю Ч Е Н И Е

Изложенный материал свидетельствует о том, что в гид­ рогеологии к настоящему времени предложено очень много разнообразных форм выражения результатов химических анализов подземных вод, приемов их систематизации и графического изображения. Они разного назначения, деталь­ ности, неодинаковы по принципам и методам разработки и различным образом отвечают современным требованиям гидрогеологической науки и производства. Основные момен­ ты, рассмотренные в данной работе, следующие.

1. Исторически в разные годы были рекомендованы раз­ личные формы выражения химического состава подземных вод — существенная часть классификационных схем. Среди них в настоящее время удачными считаются ионная и экви­ валентная формы, выражающиеся в двух вариациях, — ве­ совой и процентной, которые нередко применяются совме­ стно. Для систематизации (классификации) и особенно для графического изображения гидрохимических данных наибо­ лее удобна и универсальна эквивалентная форма как в весо­ вой, так и процентной вариациях. Поэтому те классификации (не говоря уже о графиках), которые основаны на ионной и прочих формах анализа, в прошлом оказались неудачными. Очевидно, они не будут иметь успеха и в дальнейшем.

2. Существует большое количество методов систематиза­ ции данных химического состава подземных вод и соответ­ ственно гидрохимических классификаций, предложенных ис­ следователями в разные годы. В них выделяются, как пока­ зано выше, от 3—5 до 175—225 (даже до 625 и более) клас­ сов, групп, типов и разновидностей вод, зачастую не сопостав­ ляемых между собой. Совершенно прав был А. М. Овчинников, который отметил, что при большом разнообразии классифи­ каций одна и та же вода может оказаться в разных классах, в некоторых случаях даже в двух-трех классах сразу. Поэто-

му назрела необходимость разработать и принять за основу гидрохимических систематизаций одну наиболее рациональ­ ную форму классификации или во всяком случае очень не­ многие, более или менее простые по строению, но охватыва­ ющие основные, характерные черты всех природных типов подземных вод и вытекающие из закона формирования их химического (солевого) состава. В пределах этой (или этих немногих) классификации могут и должны быть выделены классы, группы, типы и виды вод с учетом природной обста­ новки их формирования (континентальной, морской и глу­ бинной) или специфических условий распространения, на­ пример, в нефтегазовых, рудных, термоминеральных место­ рождениях, в районе молодого вулканизма и т. д.

3. Рациональную гидрохимическую классификацию .мож но принять или разработать исходя из учета всех истинно ге­ нетических признаков или абсолютных значений и наиболее характерных соотношений (отражающих различные природ­ ные условия формирования) основных показателей химиче­ ского состава подземных вод.

В настоящее время не существует ни одной универсаль­ ной гидрохимической системы, удовлетворяющей требовани­ ям, предъявляемым к генетическим классификациям, так как в них не учитываются составные части взаимосвязанных компонентов подземной воды, по В: И. Вернадскому: вода— твердое вещество — газ — живое вещество (организм). Раз­ работанная в этом направлении «Схема химической клас­ сификации подземных вод» Гуревича — Толстихина, по мне­ нию самих же авторов, не является еще генетической, по­ скольку в ней учитываются не все, а лишь преобладающие компоненты. Кроме того, такая классификация может быть разработана только тогда, когда будет хотя бы в основном од­ нозначно решен вопрос о формировании химического состава подземных вод.

Среди существующих схем, базирующихся на основных показателях химического состава и их соотношениях, более или менее близко отражающих природные условия форми-. рования и существования подземных вод, наиболее рацио­ нальной является, по-видимому, классификация О. А. Але­ хина в последней редакции с учетом поправки Посохова—Сы- дыкова. Для подземных вод любой степени минерализации она позволяет устанавливать направление, по которому идет их преобразование, поскольку дает возможность выделить «специфические компоненты», характерные для основных четырех типов вод.

4. Всем классификационным схемам, основанным на пре­ обладающих компонентах, присущ определенный произвол в

i30