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

комбинаций составит в отдельности для анионов и катионов по 25. Следовательно, общее число классов природных вод возрастает до 625 (рис. 3). При составлении, классификации учитываются все основные анионы и катионы, содержание которых не менее 1 %-эке.

Рис. 3. График-квадрат О. С. Джикии.

Анализы, приведенные в таблице 9, характеризуют при­ надлежность вод к хлоридно-сульфатному натриёво-магние- во-кальциевому (вода А ) и гидрокарбойатно-хлоридно-суль- фатному натриево-кальциевому (вода Б) классам и соответ­ ственно: имеют номера 418 и 365.

Классификация А. А. Бродского (1953) представляет со­ бой значительно упрощенную схему 3. А. Макеева, где не могут быть выделены «чистые», по К. В. Филатову, или «двойные», по В. А. Приклонскому, гидрохимические типы вод даже тогда, когда содержание первого аниона и катиона явно преобладает над другими. Классификация построена на основе графика-квадрата, (рис. 4), по сторонам, которого об­ кладываются первые и вторые по преобладанию (независимо от процентного содержаний) анионы (по Горизонтали) и ка­ тионы (по вертикали). При этом в первой строке (как по гори­

51

зонтали, так и по вертикали) помещаются первые по преоб­ ладанию ионы, а во второй — вторые по преобладанию. Та­ ким образом, в каждой из 36 клеток, образуемых пересече­ нием вертикальных и горизонтальных граф, размещается отдельный гидрохимический тип воды, который помимо соб­ ственного названия обозначается индексами I—VI (анионы) и 1— 6 (катионы). При этих индексах вписываются еще и

буквенные нумерации анализов, указывающие местополо­ жение воды на графике. Кроме того, на нем условными зна­ ками отмечается градация величины общей минерализации:

до 1; 1—5; 5—30 и более 30 г/л.

сульфатному натриево-магниевому (вода А) и гидрокарбо- натно-хлоридному натриево-кальциевому (вода Б) типам и имеют соответственно индексы VI-6A и II-5S.

Поскольку в данной классификации принимаются во вни­ мание по два основных преобладающих аниона и катиона, то название типов вод по терминологии Щукарева—Приклон-

иной анион (и катион), который лишь относительно немного {порой даже чисто формально) отличается по величине со­ держания от оставшихся (третьих) ионов, поскольку они не включаются в классификационную схему. В этом заключа­ ется один из существенных недостатков классификации А. А. Бродского.

52

Номенклатура химических типов подземных вод М. Е.

Алътовского и В. М. Швеца (1956) дается по содержанию ос­ новных шести компонентов (ионов), по которым выделяются двух-, трех-, четырех- и многокомпонентные типы вод.

К двухкомпонентным относятся воды, в которых два ка­ тиона и аниона содержатся в количествах менее 20+3%-эгсв каждый (3 %—примерная ошибка анализа). Например, воды

риевой и гидрокарбонатно-натриевой.

К трехкомпонентным относятся воды, в которых содер­ жание трех из шести основных ионов менее 20± 3 %-же. При­

чем один из них должен быть обязательно анион или кати­ он, а другие — соответственно два катиона или два аниона.

Многокомпонентные воды (смешанные, или, по В. А. Приклонскому, пятерные и шестерные) называются (для краткости) по их солевому составу с добавлением впереди слова «многокомпонентная». Например, многокомпонентная карбонатная вода (преобладание карбонатных солей), много­ компонентная сульфатная вода (преобладание солей CaS04, MgS04, Na2SC>4и в меньшем количестве NaCl, MgCb, КС1) и

многокомпонентная хлоридная вода (преобладание почти исключительно галоидных солей—СаС1г, MgCl2, NaCl и КС1).

Многокомпонентная карбонатная вода характеризуется соотношением rC03'+ rHCOj>rCa"+rMg". Наименование

многокомпонентной сульфатной воды дается тогда, когда гС03+ гН С 0з< гС а:+rMg" и rCO^'+riHCO^+rSO" >гСа".

Наконец, наименование многокомпонентной хлоридной воды присваивается в случаях, когда гСО" 3+ гНСО'з+ rSO"4> гСа"Р

Повышенное содержание элементов, не входящих в ос­ новной шестикомпонентный состав (например, наличие боль­ шого количества железа, радиоэлементов, брома, йода и др.),

53

отмечается дополнительным прилагательным: железистые, радиоактивные, йодо-бромные и т. д. Сведения о величине минерализации, температуре и газовом составе подземных вод даются в количественном выражении.

Наименование химических типов вод, как уже показано, начинается с пребладающего компонента независимо от то­ го, является ли он анионом или катионом. Если в составе трех- и четырехкомпонентной воды преобладает катион, то в наименовании воды сначала в убывающем порядке по содер­ жанию перечисляются катионы, а затем — анионы.

Рис. 5. График-квадрат Г. А. Вострокнутова.

Такой порядок наименования химических типов вод в ряде случаев недостаточно обоснован. В частности, это каса­ ется наименования смешанного, катионно-анионного назва­ ния, тогда как почти во всех современных гидрохимических классификациях анионам и катионам отводятся определен­ ные места независимо от их количественного содержания. По иному принципу, в отличие от вод двух-, трех- и четырех­ компонентных, дается наименование многокомпонентных вод.

Классификация-график Г. А. Вострокнутова (1959), по его мнению, является усовершенствованным вариантом анало­ гичной классификации А. А. Бродского и основана на прави­

54

лах номенклатуры химических типов вод, предложенных М. Е. Альтовским и В. М. Швецем (1956). Следует добавить, что она по принципу построения мало чем отличается от классификаций 3. А. Макеева (1951 г.) и О. А. Бозояна

(1959).

Для выделения гидрохимических типов принята та же количественная градация ионов, как у М. Е. Альтовского и В. М. Швеца (20+3 %-экв). На наш взгляд, во избежание раз­

ного толкования названия вод по результатам готового ана­ лиза (степень погрешности которого неизвестна) следовало

бы принять для указанной цели 25 %-экв. Тогда, например, вода А в таблице 9 относилась бы не к двум различным ти­

пам вод по выбору разных исследователей (хлоридно-натрие- вому у одних и хлоридно-натриево-магниевому у других, так как с принятием градации 20± 3 %-экв содержание магния

можно приравнивать и к 18%-экв и к 23%-экв), а однознач­ но — к хлоридно-натриевому типу (рис. 5, квадрат VII-Ж).

Пересечением граф классификационный график Г. А. Вострокнутова (рис. 5) разделяется на 9 больших квадратов по горизонтали и вертикали. В шести из них имеется один мел­ кий квадрат (обозначен нами цифрой 1) для двухкомпонент­

ных вод по анионам или катионам (сочетание их дают трех- и четырехкомпонентные воды) и один неполный мелкий квадратик (обозначен нами цифрой 2) для трехкомпонент­

ных вод по анионам или катионам (по их сочетаниям получа­ ются четырехпяти- и шестикомпонентные воды). Название типов дается по убыванию содержания компонентов, начи­ ная обычно с анионов, но не исключается название вод, начи­ ная с катионов (при абсолютном преобладании).

Классификации по соотношению между отдельными компонентами химического состава подземных вод

Среди этой группы классификаций наибольшей популяр­ ностью пользовалась классификация Ч. Пальмера (1911), развитая в дальнейшем в отдельных направлениях Е. Бар-

тоу (1927), Р. Штумпером (1935), В. А. Сулиным (1935),

Н. И. Толстихиным (1937). Сюда же примыкают классифи­ кации С. А. Дуоова (1948) и А. Н. Павлова и В. Н. Шемяки­ на (1967).

Классификация Ч. Пальмера (1911) получила широкое применение при изучении вод нефтяных месторождений. Классификацией учитываются такие свойства подземных вод, как жесткость, мягкость (щелочность), соленость и реак­ ция воды (pH). Эти свойства обусловлены взаимным соотно­

55

шением различных групп ионов (в процент-эквивалентной форме), присутствующих в воде и названных «характеристи­ ками Пальмера», описанных выше. Поэтому этой классифи­ кацией предусматривается группировка ионов в определен­ ном порядке, которая производится по правилу Фрезениуса, согласно силе кислот и оснований (табл. 13).

Таблица 13

Распределение катионов н анионов по силе основности и кислотности

По соотношению различных катионов и анионов выделя­ ется, по Ч. Пальмеру, пять классов вод, характеризующихся следующими свойствами.

П е р в ы й к л а с с (формула S < о ) — воды щелоч­ ные, с избытком щелочей по сравнению с сильными кислота­ ми. Этот избыток входит в соединение со слабыми кислота­ ми и образует первую щелочность воды (А]). Условия при­ надлежности вод к этому классу определяются следующими соотношениями ионов и характеристиками:

(rNa4-rK') > (rCl'+rSO^+rNOg);

Sj = rCl/+rSO" + r N 0 3, A 2= rCa"+rMg";

Ai = (2rNa'+rK-)—(rCl'+rSO^+rNO; ).

В т о р о й к л а с с (S = a ) — промежуточный тип вод, в которых щелочи и сильные кислоты нацело насыщают друг друга. Ввиду отсутствия в воде избытка щелочей в ней нет первой щелочности (Ai) и второй солености (S2). Принадлежность вод к данному классу определяется следу­ ющими соотношениями ионов и характеристиками:

(rNa- + гК') = (гСГ + rSO; + rN03);

SL= rNa' - f rK- = гСГ + rSO^ - f rN 03);

A2= rCa" -f rMg" = rHC03+ rCO'.

56

элементами вторую соленость (S2). Условия принадлежности

вод к этому классу и их характеристики следующие:

стоянной жесткостью и содержат преимущественно хлориды

исульфаты щелочей. В этом случае щелочи и щелочные земли, полностью насыщаясь сильными кислотами, в избыт­ ке не остаются и поэтому в водах отсутствует первая (Ai) и вторая (А2) щелочность. Принадлежность вод к этому классу

иих характеристики следующие:

сульфаты железа, алюминия и тяжелых металлов. В этом случае образуется избыток сильных кислот, который опреде­ ляет наличие в воде свободных сильных кислот и, следова­ тельно, кислотность воды. Условия принадлежности вод к этому классу и их характеристики следующие:

(гСГ + гSO" + rNO') > [(rNa’ + rK-) + (rCa" + rMg")];

S], = rNa" + rK"; S2=rCa"+rM g"; S3= (rC r+ rS 0 "+rN0 3)—

— (rNa* + rK') — (rCa" + rMg").

Основными классами вод, по Ч. Пальмеру, являются первый (щелочные воды), третий (жесткие) и пятый (кислые). Второй и четвертый классы занимают промежуточное по­ ложение, редко встречаются в природе и обычно быстро переходят в соседние классы. В этой классификации к основ­ ным свойствам отнесены щелочность (первая), первая, вто­ рая и третья соленость. Причем щелочность (первая), жест­ кость (вторая соленость) и кислотность (третья соленость) характерны только для определенных типов подземных вод и поэтому являются их основными показателями. Первая

57

соленость, вторая и третья щелочности обычно присущи большинству вод и поэтому их коррелятивное значение в распознавании состава вод не велико. Третья щелочность, характеризуя в составе вод наличие тяжелых металлов, может присутствовать во всех пяти классах. Таким образом, каждый из описанных классов характеризует не более четы­ рех свойств воды (табл. 14).

Таблица 14

Свойства воды в каждом классе, по Ч. Пальмеру К л а с с

Приведенные в таблице 9 воды А и Б соответственно относятся к III и I классам, по Ч. Пальмеру, и имеют следу­ ющие гидрохимические показатели:

Классификация Ч. Пальмера позволяет объединить мно­ гочисленные и разнообразные по химическому составу под­ земные воды в небольшое число групп. Вместе с тем она в значительной степени схематична. Основные ее недостатки: а) не учитывается общая минерализация воды; б) объединя­ ются в одну группу компоненты, характеризующие различ­ ную геохимическую обстановку формирования подземных вод (например, хлориды и сульфаты, кальций и магний); в) крайне недостаточно расчленение вод по химическому сос­ таву, ибо из пяти выделенных классов реальны только три. К тому же СОз и НСОз не учтены в четвертом классе, между

тем они, безусловно, присутствуют в морских водах, относи­ мых к этому классу. Кроме того, принадлежность вод к тому или иному классу определяется в основном соотношением натрия к другим ионам. В то же время содержание самого натрия в анализах обычно устанавливается по разности, и все погрешности определений всех других компонентов от­ ражаются на нем. Поэтому классификация Ч. Пальмера в гидрогеологии в настоящее время не применяется, но в от­ дельных классификациях используются его характеристики.

58

Классификация Р. Штумпера (1935). Указанные недо­ статки классификации Ч. Пальмера были замечены Р. Штумпером, который и предложил классифицировать во­ ды не по соотношению ионов Na' и SO" -f СГ, а по соотноше­

нию ионов C a"+ M g” H НС03. В результате автор выделил семь классов природных вод:

I класс — гНС03 > rCa” +rM g”;

II класс — rHCOg =rO a”+rMg";

III класс — rHC03<rCa”+rM'g” < 7^ C 0 3+ r S 0 ";

IV класс — гНС03 + rSO^ = rMg" -j- rCa";

V класс — rHC03 + rSO^ < rCa" -j- rMg";

VI класс — гНСОд -j- rSO" + rCl' = rNa‘ 4- rMg” + rCa”;

VII класс — rSO" + гСГ > rNa’ + rCa” + rMg”.

Вприроде реально существуют не все семь классов; три класса (II, IV и VI) встречаются крайне редко или почти не встречаются.

Вклассификации Е. Бартоу (1927) в отличие от классифи­

кации Р. Штумпера оценивается самостоятельная роль иона SO I в составе первой солености путем разделения III класса

Ч. Пальмера на два самостоятельных (II и III). Е. Бартоу, исходя из процент-эквивалентной формы анализа, также раз­ деляет воды на три класса.

К первому классу он относит те воды, в которых сум­ ма эквивалентов щелочных радикалов больше суммы экви­ валентов нитратного, хлоридного и сульфатного радикалов. Это в точности соответствует первому классу Ч. Пальмера.

Ко второму классу автор относит воды, в химическом составе которых сумма эквивалентов щелочей больше суммы эквивалентов нитратного и хлоридного радикалов, но меньше суммы эквивалентов сильных кислот. Этот класс представля­ ет собой часть третьего класса Ч. Пальмера, здесь сульфаты входят в состав первой солености.

К третьему классу относятся воды, в которых сумма эквивалентов щелочей меньше суммы эквивалентов нитрат­ ного и хлоридного радикалов, поэтому в составе первой со­ лености отсутствуют сульфаты. Но этот класс также отно­ сится к III классу Ч. Пальмера.

59

В классификации Е. Бартоу отсутствует один из важных классов — кислые воды.

Классификация В. А. Сулина (1935) представляет собой дальнейшее развитие классификаций Ч. Пальмера. При разработке учтена преобладающая значимость главнейших компонентов (основных «пальмеровских характеристик») в составе подземных вод: сульфатов и хлоридов щелочей, суль­ фатов и хлоридов щелочных земель, карбонатов и гидрокар­ бонатов щелочных земель, карбонатов и гидрокарбонатов щелочей.

Все воды подразделяются на группы по основным их свойствам (щелочные, жесткие и кислые), на классы в зави­ симости от того, какая характеристика вод имеет максималь­ ную величину, а также на подклассы исходя из того, какая характеристика вод занимает по величине второе место (по процент-эквивалентной форме анализов).

Щелочные воды

Первый класс — в составе воды доминирует Аг, т. е. гид­ рокарбонаты щелочных земель. Подклассы A2S 1A 1 и A2A 1S 1.

Второй класс — в составе воды преобладает Si, т. е. хло­ риды и сульфаты щелочей. Подклассы S 1A 1A2 и S 1A2A 1.

Третий класс — в составе воды доминирует А ь т. е. гид­ рокарбонаты и карбонаты щелочей. Подклассы A!A2S i и

A 1S 1A2.

Четвертый класс — в составе воды присутствуют А2 и Ai,

т. е. гидрокарбонаты и карбонаты щелочных земель (Аг) и щелочей (Ai) (в природе встречается редко). Подклассы Ai Аг и A2A i.

Пятый класс (редко встречается в природе) — в составе воды присутствуют Si и А], т. е. сульфаты и хлориды (Si), карбонаты и гидрокарбонаты (Ai) щелочей. Подклассы S 1A 1и

AjSi.

Жесткие воды

Шестой клас — в составе воды преобладает Аг. Подклас­ сы A2S 1S2 и A 2S2S 1.

Седьмой класс — преобладает S2 (хлориды и сульфаты щелочных земель). Подклассы S2S 1A 1 и S2A 2S 1.

Восьмой класс — основное место в составе вод занимает

Si. Подклассы S 1S2A 2 и S 1A2S2.

Девятый класс (редко встречается в природе) — в составе вод содержатся только Аг и S2, т. е. они освобождены при

дренаже от хлоридов и сульфатов щелочей (Si). Подклассы

A2S2 и S2A2.

60