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

Генетическая особенность природных вод вообще и под­ земных в частности наиболее наглядно может быть представ­

нентами учитывается газовый состав вод, как растворенных, так и свободно выделяющихся. Научно обоснованная гидрохимическая классификация такого типа составлена В. И. Вернадским в 1929 г., которая затем была несколько ви­ доизменена и дополнена в его капитальной сводке «История минералов земной коры, т. II. История природных вод» (1933—1936). Здесь на фоне атомно-весовой классификации химического состава различных классов природных вод (пресных, соленых и рассольных), различающихся по кон­ центрации растворенных компонентов, но связанных с еди­ ной формой их нахождения в природе (семейства речных, озерных, морских, грунтовых, пластовых, глубинных и дру­ гих вод), выделяются подклассы вод по газовым компонен­ там (кислородные, углекислые, азотные, метановые, серово­ дородные и водородные).

Правда, состав растворенных газов и раньше учитывался при построении классификаций минеральных вод (в частно­ сти, В. С. Садыковым в 1916 г. и др.). Но впоследствии этот компонент стал обязательным во всех классификациях мине­ ральных вод (Александров, 1932, 1956; Иванов и Невраев, 1964 и др.). Применительно к подземным водам он был ис­ пользован в классификации А. М. Овчинникова (1954), наз­ ванной им «гидрогеохимической системой природных вод». В ней основное классификационное значение придается газо­ вому составу, но учитывается также ионно-солевой состав вод, и на этой основе выделяются 24 класса с газами, образо­ вавшимися в окислительной, восстановительной и метамор- ■фической обстановках. Гидрохимическая классификация, ос­ нованная на этих же принципах, предложена позже М. С. Гу­ ревичем и Н. И. Толтихиным (1961).

К указанной группе примыкают появляющиеся лишь в последние годы гидрохимические классификации, в которых помимо растворенных в воде химических и солевых компо­ нентов учитывается изотопный состав солей воды и ее состав­ ляющих элементов — водорода и кислорода. Отдельные фрагменты их приведены в СССР в работах А. С. Уклонского (1965), А. Е. Бабинца (1967), А. Н. Султанходжаева (1967, 1972) и др., а за границей — Д. Е. Уайта (1957), Д. Е. Уайта и Г. А. Воринга (1963) и др. Из последних наибольшей пол­ нотой отличаются предварительные критерии генетической гидрохимической классификации с учетом изотопного соста­ ва и температуры вод, обобщенные в книге С. Дэвиса и Р. де

10

ФОРМЫ ВЫРАЖЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ АНАЛИЗОВ ВОД

Результаты химических анализов вод могут быть пред­ ставлены в разных формах, которые в дальнейшем служат основой построения гидрохимических классификаций. По ме­ ре развития идей и методов изучения химизма природных Вод и принципов их типизации совершенствовались и формы выражения химического состава вод. До настоящего времени были предложены следующие формы выражения состава вод: 1) солевая, 2) окисно-ангидридная, 3) атомная, 4) по от­ ношению к весу или объему воды, 5) ионная, 6) эквивалент­ ная, 7) молекулярная и 8) комбинирования отдельных ионов

в группы.

Солевая форма выражения состава вод широко применя­ лась в прошлом, а в настоящее время используется отдельны­ ми исследователями при систематизации химического соста­ ва подземных (Нрежде всего соленых и рассольных) вод как дополнительный элемент характеристики природной обста­ новки их образования. Особенно широкое развитие она полу­ чила в классических исследованиях академика Н. С. Курга­ нова и его школы состава соляных озер (Курнаков, 1896; КурйакоВ и Жемчужный, 1917; Кротов, 1930; Валяшко, 1935, 1952 и др.).

В прошлом столетии (70—80-е годы), когда в комбиниро­ вании получаемых аналитическим путем радикалов’ в соли определенной системы еще не существовало, в зависимости от индивидуального усмотрения отдельными исследователя­ ми (химиками) солевой состав одной и той же воды выражал­ ся совершенно различно. И наоборот, при искусственном ра­ створении различных солей в определенной пропорции мож­ но установить в растворе одно и то же количество ионов. Как показали эксперименты В. А. Приклонского и Ф. Ф. Лаптева

(1949), количество ионов (Mi/л) Na"—46,0, Mg" —24,3, СГ—

13

—70,9 и SO4"—96,1 при растворении в 1 л воды позволило получить следующие комбинации солей (мг/л): 1) Na2SC>4—

— 142,1 и MgCl2—95,2, 2) M gS04—120,4 и MgCl2—117,9, 3) Na2S 04—71,05 и NaCl—58,45, MgS04—60,2 и MgCl2—47,6..

Растворы при этом были совершенно одинаковыми не только по анализу, но и по всем другим свойствам. Из сказанного видно, что выражать результаты химических анализов вод в виде солей можно лишь условно. Тем не менее солевая фор­ ма выражения состава подземных вод, построенная по еди­ ному принципу (по Р. Фрезениусу) комбинирования ионов, имеет определенную классификационную значимость при ре­ шении генетических вопросов. К ее оценке мы еще вернемся

родные кислоты — в виде соответствующих им ангидридов (SO3, N20 5, N2O3, С02 и т. д.), бескислородные кислоты — в

виде соответствующих им неметаллов (С1, Вг и т. д.) и аммо­ ний — в виде аммиака (NH3).

Такой метод выражения состава воды неудобен прежде всего тем, что без соответствующих пересчетов он не дает правильного представления о сумме веществ, растворенных в воде, поскольку все металлы даются в виде окислов. Факти­ чески же часть из них присутствует в воде в виде хлоридов^

14

сульфатов и других соединений, не содержащих кислорода.. Такая форма выражения зачастую не соответствует (даже приблизительно) фактическому состоянию веществ в раство­ ре. Кроме того, присоединение кислорода к определяемым компонентам (даже бескислородным) увеличивает сумму со­ ставных частей солей, растворенных в воде, и не дает объек­ тивного представления о минерализации воды. Поэтому дан­ ная форма в настоящее время не находит применения в гид­ рогеологической практике.

Для пересчета встречающуюся в литературе окисно-ан- гидридную форму анализов воды в ионную необходимо вве­ сти определенные коэффициенты (табл. 3).

распределение элементов в составе различных семейств при­ родных вод независимо от их принадлежности к металлам или металлоидам. Эта форма применена им в классифика­ ции природных вод по химическому составу в фундаменталь­ ном труде «История минералов земной коры» (1933—1936). Здесь В. И. Вернадский, отрицая ионную форму выражения результатов анализа, как не отражающую истинное состоя­ ние компонентов раствора и не охватывающую всего их раз­ нообразия (коллоиды, газовые компоненты, мути), предло­ жил изображать состав воды исключительно в весовых или атомных процентах элементов (табл. 4). Подобное отрицание им возможности применения ионной формы является вполне естественным, если учесть, что он основными константами классификации природных вод, определяющими всю их хи­ мию, считал газовые составляющие вод, которые не диссоци­ ированы в воде.

Признавая огромное значение газовых компонентов в геохимии вод, все же следует отметить, что атомная форма не позволяет судить об условиях формирования различных ъипов вод, о взаимодействии их с породами. Кроме того, полное

15-

абстрагирование в ней форм нахождения отдельных элемен­ тов, в частности серы в водах (сульфатная, сульфидная или иная), исключает возможность выделения в классификации группы сульфатных вод, равно как и установления в водах сульфидов или сероводорода. Это относится и ко всем элемен­ там с переменной валентностью (Fe, Mn, N и др.) и с изменяю­ щимися свойствами. По упомянутым причинам и эта форма в настоящее время почти не находит применения.

Таблица 4

Элементарный состав океанической воды и средний состав гидросферы, по В. И. Вернадскому

Элементарный состав океа­ Средний состав гидросферы нической воды

Выражение состава воды по отношению к ее весуили

•объему. Состав-воды-, представленный в любой форме; может -бытьвыражен- в-различных- весовыхили объемных едини­ цах.

Первые анализы» вод, появившиеся в-России и Запа-дной Европе в-XVII-I—XIX вв;, выражались-в-единицах- аптекар­ ского веса»: в унциях,- драхмах, скрупулах и гранах на апте­ карскийфунт.- Последнийразличный в- разныхстранах:- в

16

России — 358,32 г, Франции — 367,13 г, Англии — 373,24 г,

Голландии — 375 г, Австралии — 420,05 г. В нем содержит­ ся 12 унций по 8 драхм, по 3 скрупулы, или в целом 5760

гран.

В Англии и Америке анализы вод представлялись в гра­ нах на американский (один гран в галлоне воды равен 17,1 мг/л) или английский (1 гран в галлоне равен 14,3 мг/л) гал­

лон воды. В американской литературе и сейчас можно найти подобную форму выражения анализов вод. Но наиболее распространенным в Америке и до сего времени является вы­ ражение состава вод в частях на миллион весовых частей раствора (р . р. т.), что для пресных вод без заметной погреш­ ности соответствует 1 мг/л. В частности, такой способ выра­ жения результатов анализа вод изложен в книге С. Дэвиса и Р. де Уиста (1970).

Со времени введения метрической системы анализы воды

грамм, а чаще всего на литр воды. Для слабоминерализован­ ных вод выражение содержания ионов в единицах веса (1 кг) или объема воды (1 л) не имеет существенного значения, а

для солевых вод, и особенно для рассолов, эти. величины зна­ чительно расходятся. При переходе от состава вод, отнесен­ ного к единице объема, к составу, отнесенному к единице ве­ са, содержание отдельных ионов необходимо разделить, а в обратном случае — умножить на удельный вес воды (1,006—

—1,035 для соленых вод и 1,035— 1,35 и более для рассолов). В связи с этим общую минерализацию соленых вод и рассо­ лов (а также Главнейших ионов в них) принято выражать обычно в граммах на килограмм, а пресных вод — в милли­ граммах на литр.

В практике производственных нефтяных организаций й учреждений, занимающихся изучением соленых вод й рассо­ лов, состав вод обычно выражают в г/100 г, иными словами,

в процентах от веса воды. При анализах этой категории вод минерализацию нередко выражают через соленость в граду­ сах Боме (°Ве). Один градус Боме соответствует в растворе 1 % соли NBC1. Поэтому соленость в °Ве позволяет точнее су­ дить о минерализации лишь при резком преобладании хло­ ристого натрия над другими компонентами раствораСоле­ ность можно пересчитать на удельный вес (с?) раствора по

формуле a - g g i g g - .

Прй исследованиях морских Вод общую минерализацию и сумму главных ионов выражают в граммах на килограмм, обозначая это символом %о (йроМйллё).

Для перевода различных форм выражения концентраций

ной формой выражения результатов анализа воды и пред­ ставляет собой выражение ионно-солевого состава вод в виде содержания в них определенных количеств отдельных ионов. При этом считается, что молекулы соли в воде диссоциирова­ ны на ионы. Однако это справедливо лишь для слабоминера­ лизованных вод, а в высококонцентрированных рассолах, которые находятся преимущественно в виде недиссоциированных молекул, электролитическая диссоциация солей поч­ ти не происходит.

Несмотря на сказанное, ионная форма в СССР признана обязательной при анализах вод любых концентраций. Но в этой форме даются не все составные части вод. Например, в них содержатся недиссоциированные молекулы метакремниевой, метаборной и других кислот, которые принято выра­ жать в виде H2Si03, НВ02 и т. д., железо, алюминий и крем­

ний, которые присутствуют в водах в недиссоциированном или ничтожно мало диссоциированном коллоидальном сос­ тоянии и выражаются в виде окислов (Fe2C>3, AI2O3, S i02), хо­

тя это не всегда соответствует действительности. Например, в кислых водах трехвалентное железо может находиться в ви­ де иона Fe"', а в сильно щелочных водах кремнекислота — в виде иона HSiOj и т. д. Недиссоциированы также и раство­ ренные в воде газы, которые обозначаются формулами С02, H2S и т. д. Иногда одно и то же соединение может находить­ ся одновременно в нескольких формах. Например, сероводо­ род — одновременно в виде H2S и HS1, углекислота — в виде НСОз', С02" и С02, кремнекислота — в виде H2Si03, HSiCV,

SiOg и т. д. Соотношения между различными формами опре­

деляются обычно концентрацией иона водорода (pH). Напри­ мер, в кислых водах (при p H = 5) углекислота представлена

почти полностью С02 при малом количестве НСОд (3—4%) и

18

Ионная форма анализов применяется в двух вариациях: ионно-весовой и ионно-процентной. В первом случае дается весовое содержание ионов, рассчитанное на определенный объем или вес воды (100 г, 1 кг, 1 л), а во втором выражается

содержание отдельных ионов в процентах от их общей сум­ мы; чаще употребляется первая. Лишь Ф. Кларк в своей фундаментальной сводке по геохимии использовал ионно­ процентную вариацию ионной формы.

Эта форма затрудняет применение графических способов выражения состава вод, совершенно исключает, например, употребление треугольных и квадратных графиков. Кроме того, крайне ограничены возможности использования ее в от­ дельном виде при решении генетических вопросов гидрогео­ химии. Поэтому она обычно употребляется не самостоятель­ но, а совместно с эквивалентной формой.

Эквивалентная форма выражения состава вод является самой распространенной и представляет собой выражение анализа в равноценных в реактивном отношении величинах. Ионы реагируют между собой не в равных весовых количест­ вах (грамм на грамм), а в количествах их эквивалентов, т. е. один эквивалент одного иона (например, Na') на один эквива­ лент другого иона (СГ). Содержание ионов, выраженное в эк­ вивалентной форме, обозначается знаком г (реагирующая ве­ личина), который ставится перед символом иона, например: rCl, гСа и т. д.

Эквивалент (или эквивалентный вес) иона равняется атомному, весу иона или молекулярному весу кислотного ра­ дикала, деленному на его валентность. Например, эквива­ лент иона Na* равен 23:1, а иона СГ— 35,5:1, т. е. на 23 ве­ совые единицы Na* приходится 35,5 весовых единиц СГ. Пос­ кольку при взаимоотношении отдельных ионов в растворе один эквивалент Na* соответствует одному эквиваленту СГ, то они реагируют между собой не в количестве 1 г Na’ на 1 г

СГ, а в соотношениях 23:35,5.

В целом сумма эквивалентов катионов (2гк) в растворе должна равняться сумме эквивалентов анионов (2 га), т. е.

2 гк= £ г а. Если этого не наблюдается, то, очевидно, при ана­ лизе не определен какой-нибудь элемент или допущены по­ грешности в количественном определении. Это обстоятельст­ во позволяет, используя эквивалентную форму, контролиро­ вать результаты анализа и вычислять содержание некоторых ионов (например, иона Na‘) без непосредственного аналити­ ческого их определения.

Эквивалентная форма анализов дает возможность полу­ чить более точное представление о химизме и химических свойствах подземных вод, позволяет уяснить происхождение

19