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

ным совещанием, была опубликована в 1932 г. Позднее (1956 г.) она была значительно уточнена, частично изменена и опубликована в руководстве «Основы курортологии». В та­ ком виде она получила широкое распространение. Ею поль­ зуются для систематизации не только минеральных, но и подземных вод вообще.

По видоизмененной и дополненной классификации В. А. Александрова (1956) все воды по составу преобладаю­ щих анионов (более 25 %-экв при содержании остальных анионов каждый в отдельности менее 25%-экв) подразделя­ ются на пять классов: I — гидрокарбонатные, II — хлоридные, III — сульфатные, IV — нитратные и V — воды сложно­ го состава, комбинированные из предыдущих классов (когда содержание 2—3 анионов более 25%-экв): гидрокар- бонатно-хлоридные, гидрокарбонатно-сульфатные, хлоридносульфатные и т. д. В каждом из этих классов также по пре­ обладанию (более 25%-экв) выделяются воды: а) натриевые, б) кальциевые, в) магниевые и г) со сложным составом ка­ тионов. При наименовании полного состава вод название по катионам прибавляется к названию класса.

Одновременно с делением вод по ионному составу, все во­ ды по особым их свойствам представлены тремя группами.

1 мг/л; в) йодо-бромистые (брома более 25 и йода более 10 мг/л); г) кремнистые (кремнекислоты более 50 мг/л); д) с другими активными ионами (фтор, бор, литий, кобальт и др.).

Б. Г а з о в ы е воды: а) углекислые (свободной углекис­ лоты более 0,75 г/л); б) сероводородные (H2S более 10 мг/л); в) радоновые (Rn более 10 ед. Махе); г) другие (азотные, ме­ тановые и пр.).

B. Т е р м а л ь н ы е воды: а) теплые (температура 20— 37°) и б) горячие (свыше 37°).

Воды Александровско-Ермоловского источника в Пяти­ горске, состав которых приведен выше, по классификации В. А. Александрова будут горячие углекисло-сероводород­ ные хлоридно-гидрокарбонатные натриево-кальциевые.

Основные недостатки классификации следующие: а) в одном V классе объединены воды различного состава, генези­ са и лечебных свойств, в то же время в одном особом IV клас­ се самостоятельно выделяются редко встречающиеся в приро­ де нитратные воды; б) не учитывается минерализация вод, вследствие чего в один класс попадают воды, физиологиче­ ское действие которых резко различное; в) отдельные клас­

сификационные признаки (ионный и газовый состав, темпе­ ратура, наличие активных ионов) рассматриваются изолиро­ ванно, в результате чего теряется единство всех свойств воды,, воздействующих на организм. Поэтому у некоторых исследо­ вателей, пользующихся этой классификацией, можно встре­ тить указания об отнесении тех или иных вод к определен­ ному классу или группе на основании одного или двух приз­ наков без учета других.

Классификация подземных минеральных вод В. В. Ива­ нова и Г. А. Невраева (1964). В ней дается наиболее полная и комплексная оценка минеральных вод в зависимости от их состава, свойств и лечебных качеств путем выделения семи

ных (В г>25 мг/л), йодных (J > 1 ,5 мг/л) и с высоким содер­ жанием органических веществ; Е — радоновых (R n> 14 ед. Махе) и Ж — кремнистых термальных (H2Si03>50 мг/л и

Т>35°).

Вклассификационной схеме в результате пересечения вертикальных граф, характеризующих бальнеологические группы и газовый (азотный, углекислый, метановый) состав вод, с горизонтальными графами, показывающими их ион­ ный состав (ионы с содержанием более 20 % -же) и минерали­ зацию (до 2,2—5,5—15, 15—35, 35—150 и более 150 г/л),

определяются типы минеральных вод. Кроме указанных

трех групп воды подразделяются на сульфидные, мышьяко­ вистые и железистые по содержанию в них H2S, As и Fe.

В о д ы с у л ь ф и д н ы е : а) слабые (общий Н2 S —10—50 мг/л), б) средней концентрации (50— 100 мг/л), в) крепкие (100—250 мг/л) и г) очень крепкие (более 250 мг/л).

Во д ы м ы ш ь я к о в и с т ы е : а) слабые (As —0,7 — 5 мг/л), б) крепкие (5—10 мг/л) и в) очень крепкие (более 10

мг/л).

Во д ы ж е л е з и с т ы е : а) слабые (Fe — 20 — 40 мг/л),. б) крепкие (40—100 мг/л) и в) очень крепкие (более 100 мг/л).

Для более полной характеристики различных типов мине­ ральных вод в классификационной схеме дополнительными знаками (цветной окраской и обводкой) выделяются воды:

1. По температуре: а) холодные (менее 20°), б) холодные, теплые и горячие (в зависимости от глубины вскрытия), в) горячие (более 35°);

82

2. По величине pH: а) сильнокислые и кислые (pH < 5,5), б) слабокислые (5,5—6,8), в) нейтральные (6,8—7,2), г) слабо­ щелочные (7,2—8,5) и д) щелочные (более 8,5).

По этой классификации воды Александровско-Ермолов- ского источника в Пятигорске — горячие углекислые слабо­ сульфатные слабокислые хлоридно-гидрокарбонатно-суль- фатные натриево-кальциевые с минерализацией 4,5 г/л.

Классификация А. М. Овчинникова (1947) разработана применительно к минеральным водам, где наряду с ионным составом учтен и газовый (табл. 20). В ней все минеральные воды по преобладающим ионам подразделяются на три груп­ пы : I — гидрокарбонатные, II — сульфатные и III — хлоридные. В каждой группе, в свою очередь, с учетом преобладаю­ щих катионов и газового состава вод (воздушного, биохими­ ческого и метаморфического генезиса) выделяются по три основных типа с тремя разновидностями вод.

Гидрогеохимическая система природных вод А. М. Овчин­ никова предложена в 1954 г. как основа для классификации подземных вод, в том числе минеральных. Она построена на сочетании принципов выделения природных обстановок фор­ мирования вод по составу газов и преобладающих компонен­ тов (главных ионов). Автор различает три обстановки форми­ рования вод.

1. О к и с л и т е л ь н а я , в которой интенсивно протекают процессы выщелачивания, характеризуется присутствием га­ зов N2, Ог, СОг и др. (воды поверхностных водоемов и неглу­

бокие подземные). Эта обстановка может глубоко (до 1000 м и более) проникать на отдельные участки артезианских бас­ сейнов.

2. В о с с т а н о в и т е л ь н а я , в которой кислород уже от­ сутствует и появляются газы биохимического происхожде­ ния: СН4 , H2S, биогенный N2 и СОг (глубокие воды, в том

числе азотные).

3. М е т а м о р ф и ч е с к а я , где подземные воды (в основ­ ном областей молодого вулканизма и глубинные) насыщены и перенасыщены СОг, образующейся при термометаморфизме пород.

В каждой обстановке формирования по преобладающим компонентам (для целей классификации объединены попар­

этом большинство подземных вод в той или иной мере явля­ ются производными от двух главных групп вод — контйнентного выщелачивания и концентрирования и метаморфизации, для которых могут быть использованы соотношения

двух главнейших ионов: - гС~ < 1 . Эти соотношения позво-

ляют установить появление в подземных водах гидрокарбо­ натов и сульфатов натрия, а также хлоридов магния и каль­ ция.

Удобной основой установления гидрогеохимической си­ стемы и составления классификации вод служит график, предложенный А. М. Овчинниковым (см. ниже), где наряду с указанными природными обстановками формирования, классами и группами вод, выделены подгруппы. Всего уста­ навливается 24 вида, охватывающих все основные природ­ ные воды.

Классификации по совокупности различных равноценных по значимости факторов

Сейчас, как никогда ранее, подтверждается обоснован­ ность представлений В. И. Вернадского о природных, в част­ ности подземных, водах как о единой физико-химической равновесной системе, главными составляющими которой яв­ ляются ионы, гидратные комплексы, растворенные газы и живое вещество. С этой точки зрения все ранее рассмотрен­ ные классификации являются частными, отражающими с той или иной полнотой отдельные показатели из названных. Они, безусловно, сохранят свое научное и практическое зна­ чение и впредь, но наряду с ними, как справедливо отметили М. С. Гуревич и Н. И. Толстихин (1961), необходима такая классификационная схема, которая охватывала бы все глав­ ные параметры состава вод в их естественном единстве. К этой категории принадлежит «Схема химической классифи­ кации подземных вод» указанных авторов, предложенная в порядке обсуждения в 1961 г. К ней же относится и проспект классификации химического состава природных вод, реко­ мендованный В. И. Вернадским (1929, 1933 — 1936).

Классификация природных вод, по В. И. Вернадскому. В

ных). вод. Самая крупная таксономическая единица их под­ разделения — г р у п п а — по существу, касается минералов земли вообще, среди которых земная вода выделяется как одна из их групп. Поэтому-применительно к водам первой крупной единицей будет подгруппа.

По фазовым состояниям вод выделяются п о д г р у п п ы : а) газообразные (пары воды), б) жидкие (растворы) и в) твер­ дые (льды). Каждая подгруппа по концентрации ионов и мо­ лекул делится на три основных к л а с с а : а) пресные воды (с концентрацией до 0,1% по весу), б) соленые воды (0,1— 5 %) и в) рассольные воды (более 5 %). Каждый из этих клас­

86

сов делится на п о д к л а с с ы по наличию растворенных в воде газов: а) азотных, б) углекислых, в) сероводородных, г) метановых и д) водородных. В классификации не учтена кон­ центрация газов, очевидно, из-за того, что количество газов, растворенных в подземных водах, остается постоянным и из­ меняется в сравнительно узких пределах (3—5)-10-3% по ве­ су воды). Но дальнейшее изучение не подтвердило этого пред­ положения и показало, что концентрация растворенных га­ зов в водах изменяется в более широких пределах (от п • 10_3 до n-10-1% по весу воды) и не остается постоянной.

Воды каждого из приведенных выше подразделений, в свою очередь, делятся на ц а р с т в а : а) наземные (поверх­ ностные), б) подземные и в) глубинные. Разновидности этих типов (царств) вод образуют п о д ц а р с т в а , или с е м е й с т ­ ва. Последние выявляются на основании формы нахождения природных вод: семейства озерных, болотных, речных, пла­ стовых, минеральных источников и т. п.

Семейства вод делятся на в и д ы (или подсемейства), а последние — на п о д в и д ы (разновидности) вод. Виды опре­ деляются преобладающими (не менее 5 % всего солевого остатка) в воде атомами, за исключением О и Н, в порядке

указанных таксономических единиц, как легко можно за­ метить, лишь классы, подклассы, виды и разновидности от­

143 семейств и 531 минерального вида (Вернадский, 1960). Им же дана несколько упрощенная и неполная схема классификации (табл. 21), в которой ряд подразделений, ре­ комендованных автором, не приведен.

Таблица 21

Классификация природных вод, по В. И. Вернадскому П е р в а я п о д г р у п п а . Т в е р д ы е ф а з ы в о д ы -

Класс I. Пресные формы твердой воды

Царство I. Поверхностные твердые воды Царство II. Подземные льды

Класс II. Соленые разности твердых фаз воды

Класс III. Царство ГП. Поверхностные льды Рассольные разности льдов Царство IV. Поверхностные льды

В т о р а я п о д г р у п п а . Г а з о о б р а з н ы е ф а з ы п р и р о д н ы х

вод

Класс IV. Пресные формы газообразных вод Царство V. Наземные пары.

87

Царство VI. Подземные пары. Класс V. болевые формы газообразных форм

Царство VII. Наземные пары

Царство VIII. Подземные пары

Царство IX. Глубинные пары (метаморфические и магмати­ ческие).

Класс VI. Пары — рассолы

Царство X. Подземные пары

Царство XI. Глубинные водяные пары

Т р е т ь я п о д г р у п п а . Ж и д к а я п р и р о д н а я в о д а . Класс Vn. Пресные воды.

Царство XII. Поверхностные воды Царство XIII. Подземные воды

Класс VIH. Соленые воды

Царство XIV. Поверхностные соленые воды Царство XV. Подземные соленые воды Царство XVI. Глубинные соленые воды

Класс IX. Рассолы

Царство XVII. Поверхностные воды Царство XVIII. Подземные воды Царство XIX. Глубинные рассолы

Классификация М. С. Гуревича и Н. И. Толстихина (1961)

занимает особое место среди рассматриваемых выше класси­ фикаций, поскольку в ней сделана попытка привлечь все глав­ ные химические и биологические компоненты природного водного раствора. Она основана на трех, указанных В. И. Вер­ надским, показателях природных вод: концентрации солей и газов, преобладающих компонентах химического и биохи­ мического состава и некоторых характерных микрокомпо­ нентах. Основываясь на этих показателях и пользуясь номен­ клатурой, широко применяющейся в палеонтологии и био­ логии, указанные авторы в своей классификации (табл. 22) выделяют отряды, подотряды, надсемейства, семейства, под­ семейства и другие классификационные категории подзем­ ных вод.

Таблица 22

Схема химической классификации подземных вод, по М. С. Гуревичу и

Н. И. Толстихину

I.Концентрация компонентов

О т р я д п о д з е м н ы х в о д по концентрации (% от веса воды): а) весьма слабогазоносные (< 0 ,0 1 ); б) газоносные (0,01—0,1): слабога­ зоносные (0,01—0,05) и умеренно газоносные (0,05—0,1); в) сильногазо­

лоноватые (1— 10): слабосолоноватые (1—3,5) и сильносолоноватые (3,5—

88

ные, азотные, углекислые. По смешанным газам: азотно-углеводородные,

онам с детализацией по вторым преобладающим анионам (%-экв): хлоридные, сульфатные, гидрокарбонатные, кремнекислые и др.

П о д с е м е й с т в о п о д з е м н ы х в о д по первым преобладающим катионам с детализацией по вторым преобладающим катионам (%-экв): натриевые, магниевые, кальциевые и др.

рактерных компонентов солевого состава, обычно присутствующих в не­ значительном количестве: йодистые, бромистые, железистые, строн­ циевые, медистые, гуминовые и др. (мг/л, мкг/л, % от веса воды).

IV. Биогеохимический состав

Т и п п о д з е м н ы х в о д по количеству, характеру микрофлоры и ее биологической реакции на присутствующие в составе воды химиче­ ские элементы.

При использовании рассматриваемой классификации авторы ее предлагают изображать состав воды в виде услов­ ных формул, сочетая известную формулу М. Г. Курлова (для ионного состава вод) с формулой М. С. Гуревича (для газо­ вого состава вод). Последняя строится таким образом: в ос­ новании буквы Г (газ) указывается величина отношения де­ битов газа и воды, сверху — упругость газа в атмосферах. Справа от буквы, в числителе псевдодроби указывается про­ центный состав свободно выделяющегося газа, а в знаме­ нателе — растворенного газа в порядке уменьшения его со­ держания. Справа от дроби записывается содержание редких газов, а также H2S, Rn и др. (в основании индекса — содер­ жание растворенных, а вверху — свободно выделяющихся газов в объемных процентах). Например, состав воды Омской скважины (1-р, глубина 1821—1826 м) изображается в таком виде:

Эта вода может быть названа слабогазоносной рассольной метановой хлоридной натриево-кальциевой бромистой водой с минерализацией 118 г/л (ТУ — тяжелый углеводород).

89

ГРАФИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ ИЗОБРАЖЕНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Значение графиков и диаграмм во всех научных дисцип­ линах, где приходится иметь дело с цифровыми данными, в частности в гидрогеологии и гидрогеохимии, велико. Многие факты, хорошо видные на графиках, легко ускользают от внимания, будучи рассредоточенными в столбцах чисел. Гра­ фики дают не только наглядное и краткое представление о существующих в наблюдениях числовых соотношениях, но и экономят время специалистов, помогают им систематизиро­ вать, сопоставлять и интерпретировать в определенном на­ правлении цифровые данные и устанавливать закономерно­ сти.

В гидрогеохимии, тесно соприкасающейся с физико-хи- мией и химией, с одной стороны, с петрохимией и геохимией, с другой, со все более нарастающим темпом накопления циф­ ровых данных растет и число различного рода графиков и диаграмм. К тому же то большое многообразие гидрохими­ ческих классификаций, рассмотренных выше, несомненно, отражается в тесно связанных с ними графических методах изображения химического состава вод. Это вполне понятно, если учесть, что авторы многих классификаций одновремен­ но предлагали свои варианты гидрохимических диаграмм, а для иных они были разработаны позже другими исследо­ вателями. Лишь некоторые классификации, особенно комп­ лексные, включающие разнозначные параметры, не имеют своей графической формы изображения.

Поскольку гидрохимические диаграммы и классифика­ ции тесно связаны между собой, первые являются наглядной формой отображения вторых, и исторически они возникли почти одновременно.

Одной из первых форм изображения состава воды был график X. Квинке, предложенный в 80-х годах прошлого сто­ летия. Позже (1891 г.) он был применен М. Батлером для по­

90