Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Науки о Земле. Учебное пособие
.pdf
растворения пропорциональна поверхности соприкосновения породы с водой. По мере увеличения концентрации раствора растворение солей замедляется; при повышении температуры скорость растворения увеличивается. Процессы растворения наиболее энергично идут в зоне свободного водообмена, где инфильтрующиеся воды растворяют хлоридные соли, гипс, известняк и
другие вещества, за счет чего подземные воды и обогащаются
различными химическими элементами.
Гидролитическое разложение или выщелачивание. Под выщелачиванием понимается процесс избирательного растворения
и выноса подземными водами какой-либо составной части горных пород. Оно особенно интенсивно протекает в верхней части
земной коры, что связано с энергично идущими здесь процессами
выветривания. Способность подземных вод к выщелачиванию
повышается благодаря присутствию в ней растворенных кислорода и диоксида углерода: первый проникает в воду из воздуха,
второй – в результате деятельности микроорганизмов.
Вследствие выщелачивания некоторые составные части
горных пород переходят в раствор и мигрируют с водами. В процессе гидролитического разложения из горных пород, прежде
всего, удаляются соединения щелочных металлов, затем щелочноземельных. В зоне окисления на рудных месторождениях в результате выщелачивания сульфидов тяжелых металлов, карбонатов и других минералов происходит образование серной кислоты,
сульфатов железа и других веществ и обогащение первичной руды остающимися на месте труднорастворимыми ценными минералами. Например, богатые золотом баритовые или кварцевые
пески, залегающие в верхних частях золоторудных жил; рыхлые
накопления касситерита, вольфрамита, колумбита, циркона и
других труднорастворимых минералов редких металлов; железные и свинцовые шляпы, скопления медьсодержащего малахита в
местах выхода на поверхность сульфидных руд этих металлов. В
результате выщелачивания подземные воды обогащаются солями
натрия, калия, кальция, магния и другими элементами.
Ионный обмен. Частицы глинистых пород имеют мицеллярное строение. Катионы диффузного слоя глинистых частиц
способны обмениваться на катионы окружающего водного раствора. Глинистые терригенные осадки обычно в поглощающем
201
комплексе содержат катионы кальция, т. к. в поверхностных водах в растворенном виде преобладают соли этого металла. При
диагенезе глинистых осадков, отложившихся в морях, протекают
процессы ионного обмена. Катионы кальция, преобладающие в
диффузном слое глинистых частиц, обмениваются на катионы
натрия, преобладающие в поровом растворе глинистых осадков,
т. к. морская вода, насыщающая поры осадков, содержит в растворенном виде, главным образом, соли натрия. В результате
процессов ионного обмена химический состав подземных вод
может существенно измениться. Процессы ионного обмена распространены. Именно таким путем образуются сульфатнонатриевые (глауберовые), гидрокарбонатно-натриевые (содовые)
и хлоридно-натриево-кальциевые воды; два последних типа вод
распространены в районах нефтяных месторождений и нередко
являются промышленными.
Диффузионное растворение и выщелачивание. От процессов растворения и выщелачивания диффузионное растворение
отличается тем, что свободная вода непосредственно не омывает
поверхность растворенных минералов. Двигаясь по крупным порам, слабоминерализованная вода вызывает переход в поровый
раствор ионов растворимых минералов.
Биологические или микробиологические процессы имеют
огромное значение для преобразования химического состава подземных вод. По мнению В. И. Вернадского, одним из наиболее
активных веществ в земной коре являются живые организмы.
Поверхностные и подземные воды в больших количествах заселены ими. В районах нефтяных месторождений бактерии обнаружены на глубинах более 2000 м. Жизнедеятельность организмов является активным фактором в формировании химического
состава природных вод и обусловливает процессы окисления и
восстановления, концентрирование рассеянных элементов, формирование газового состава некоторых типов подземных вод и
др. В окислительных процессах большую роль играют аэробные
бактерии, окисляющие серу и сероводород до серной кислоты.
Эта кислота нейтрализуется карбонатами, почти всегда присутствующими в воде, и в виде сульфатных солей выпадает в осадок.
Восстановительные процессы происходят при наличии органиче-
202
ских веществ и углеводородов и протекают в анаэробных условиях.
Помимо десульфатации, к восстановительным процессам
относится денитрификация. Она протекает при участии микроорганизмов, разлагающих нитраты, с выделением свободного азота
и образованием аммиака. Результатом восстановительных процессов является уменьшение сульфатов в воде, образование
труднорастворимых карбонатов, выпадающих в осадок, и обогащение подземных вод сероводородом.
6.2.2. Зависимость состава подземных вод
от происхождения
Необычно формируются подземные воды вблизи очагов
вулканической деятельности и интрузий, где температура может
достигать нескольких сот градусов, что обусловливает выделение
из пород диоксида углерода, а также химически связанной воды
(конституционной и кристаллизационной). Частично подземные
воды образуются при кристаллизации магмы; это так называемые
ювенильные воды. Магматические явления активизируют миграцию воды и химических элементов в горных породах, способствуя формированию в этих районах вод, обладающих специфическими особенностями. Они обычно имеют высокую температуру.
По составу относятся к углекислым хлоридно-гидрокарбонатнонатриевым с повышенным содержанием кремнекислоты, мышьяка и бора.
Подземные воды седиментационного происхождения. Kак
указывалось, значительная часть осадочных пород образуется
путем седиментации терригенных материалов в морских бассейнах, озерах и лагунах. К морским осадочным отложениям приурочены крупные бассейны подземных вод. В связи с этим важным вопросом в гидрогеологии является выяснение роли древних
(седиментационных) вод, погребенных в свое время вместе с
осадками, в формировании химического состава подземных вод.
Как известно, воды современных морей и океанов имеют хлоридно-натриевый состав (массовая доля Cl и Na составляет 90 и 77 %);
массовая доля сульфатов в пересчете на сульфат-ион – 10 % и
203
магния 18 %. Длительно протекающие процессы диагенеза осадков вовлекают в свою орбиту и заключенную в их порах седиментационную воду. Инфильтрующиеся атмосферные осадки
проникают глубоко в недра земли, смешиваются там с седиментационными водами, обусловливая их метаморфизм: этому способствуют жизнедеятельность организмов, взаимодействие вод с
горными породами, ионный обмен и другие процессы. В результате возникают подземные воды, происходящие от седиментационной, но значительно отличающиеся от нее по химическому составу. В них преобладает натрий, после него кальций; после хлора – гидрокарбонатный ион; сульфатный ион в некоторых водах
отсутствует и взамен появляется сероводород. Седиментационные воды присутствуют, главным образом, в нефтеносных отложениях, где они вместе с нефтью и газом образуют смесь, называемую пластовой жидкостью, в которой массовая доля нефти
составляет обычно 50–60 %.
Воды континентального засоления. Роль процессов континентального засоления в формировании химического состава
подземных вод наиболее типично проявляется в условиях засушливого климата при неглубоком залегании грунтовых вод, когда
восходящие капиллярные токи преобладают над инфильтрацией.
Вследствие интенсивного испарения в верхней части земной коры, особенно в почвенном слое, накопляются не только труднорастворимые соли СаСО3 и МgСО3, но и легкорастворимые
CaSO4, MgSO4, Na2SО4, NaCl и др.
В результате почвы превращаются в солончаки, на которых
невозможно произрастание культурных растений. Если в поглощенном комплексе содержится больше 20 % (от емкости поглощения) иона-натрия, то такие породы и почвы называются солонцами. В районах распространения солончаков и солонцов
грунтовые воды сильно минерализованы и почти непригодны для
практического использования.
Вследствие повышения концентрации соли при испарении
менее растворимые карбонатные и затем сульфитные соли выпадают из раствора, а легкорастворимые хлористые соли остаются
и в нем, концентрация их все более увеличивается, и они придают подземным водам засушливых районов хлоридный, сульфат-
204
но-хлоридный, хлоридно-сульфатный тип, с концентрацией растворенных минеральных веществ, нередко превышающей 50
г/дм3 (рассолы). Физико-технические свойства солончаков и особенно солонцов мало удовлетворительны: при увлажнении они
превращаются в вязкую массу с весьма малым сопротивлением
внешним нагрузкам, в сухом состоянии растрескиваются, образуя
характерные отдельности (такыры в Средней Азии), и при ветре
очень сильно пылят.
6.3. Минеральные и промышленные воды
6.3.1. Минеральные воды
Минеральные, или лечебные воды, отличаются от прочих
подземных вод своим физиологическим воздействием на организм человека, которое обусловлено наличием в них растворенных солей, температурой или газовым составом. Чаще всего указанные факторы в минеральных водах находятся в различных сочетаниях. Воды, содержащие ценные компоненты в количествах,
возможных для извлечения в промышленных целях, в отличие от
лечебных называются промышленными.
Физические свойства и химический состав минеральных
вод подчиняются общим закономерностям, присущим всем подземным водам. Минеральные воды могут быть грунтовыми и артезианскими, среди последних преобладают трещинные и пластово-трещинные. Тип минеральных вод определяется преобладанием в их составе определенных компонентов или их комбинаций. В соответствии с этим различают главнейшие типы минеральных вод: углекислые; сероводородные и радиоактивные.
Углекислые воды. К этому типу относятся такие широко известные минеральные воды, как нарзаны. Углекислыми являются
преимущественно маломинерализованные воды гидрокарбонатного типа с общей минерализацией в пределах 1–10 г/дм3. Характерная их особенность – наличие в них диоксида углерода, выделяющегося в виде пузырьков при выходе родников. Дебит свободно выделяющегося СО2 газа нередко в 1,5–3 раза превышает
205
расход родника. Содержание свободной углекислоты колеблется
в пределах 0,5–3,5 г/дм3.
Наиболее крупные районы углекислых вод находятся вблизи областей молодых интрузий. Углекислые воды образуются в
результате того, что при температуре около 400 оС из горных пород выделяется углекислота, которая и насыщает подземные воды различным химическим составом. Так образуются маломинерализованные гидрокарбонатно-кальцевые воды типа нарзанов
Северного Кавказа, аршанов Монголии, Дара-сун в Забайкалье и
в других местах, а также более минерализованные углекислые
соляно-щелочные (гидрокарбонатно-хлоридно-натриевые) воды
типа Ессентуки № 17, Боржоми и хлоридно-натриевые соленые
воды типа Арзни (в Армении). Многие углекислые минеральные
воды при выходе на дневную поверхность теряют свободную углекислоту, находящуюся в равновесии с бикарбонатом кальция, в
результате чего последний переходит в труднорастворимые карбонатные соединения, выпадающие из раствора и образующие
мощные отложения известнякового туфа – трапертины (например, Горячая гора в Пятигорске, являющаяся отрогом горы Машук). Углекислые воды широко распространены на Кавказе, Забайкалье, Карпатах, в Бурят-Монголии, Читинской области и
других местах.
Сероводородные, или сульфидные воды. К этому типу относятся минеральные воды с содержанием общего H2S не менее
10 мг/дм3. Сероводородные воды обычно приурочены к осадочным отложениям и часто связаны с нефтяными месторождениями, где встречаются наиболее высококонцентрированные поды, с
содержанием Н2S более 0,15 г/дм3, а в отдельных пунктах – более
1,0 г/дм3 хлоридно-натриевого типа. Из месторождений минеральных вод сероводородного типа наибольшей известностью
пользуются Мацеста (вблизи Сочи), Талги (Дагестан), Усть-Качка
(Приуралье), Немиров, Любен-Великий (Украина), Сергиевские
минеральные воды (Поволжье) и др.
Радиоактивные воды. Почти все воды являются в той или
иной степени радиоактивными, но в большей их части радиоактивность невелика. В подземных водах могут содержаться соли
радия или газовая эманация радия – радон. В последнем случае
206
воды называются радоновыми, а содержащие соли радия – радиевыми. В нашей стране радиоактивные воды по степени радиоактивности подразделяются на следующие группы: сильнорадиоак-
тивные (более 300 эман); среднерадиоактивные (100–300 эман); сла-
борадиоактивные (35–100 эман). Радиоактивные воды обычно
связаны с кислыми интрузивными породами (гранитами) или с
продуктами их разрушения. Переход эманации радия в раствор
происходит при разрушении пород, включающих радиоактивные
элементы. Многие радоновые воды представляют собой холодные грунтовые воды в местах, где неглубоко от поверхности земли залегают массивы или жилы кислых изверженных пород. Из
минеральных радиоактивных источников известны Цхалтубо
(Грузия), Белокуриха (Алтайский край), Мироновка (Украина),
Пятигорские (Кавказ) и др.
6.3.2. Промышленные воды
Как указывалось, промышленные воды содержат те или
другие микрокомпоненты в количествах, которые дают возможность извлекать эти компоненты для промышленных целей. Из
вод промышленного значения в настоящее время извлекают поваренную и глауберову соль, соду, иод, бром, бор, радий и другие
элементы. Основным сырьем для получения иода и брома в России, США и некоторых других странах являются подземные воды.
Воды промышленного значения, в основном, приурочены к
глубоким частям крупных артезианских бассейнов, которые в
структурно-тектоническом отношении соответствуют крупным
впадинам (Вятско-Камский, Прибалтийский, Московский, Терско-Кумский, Азово-Кубанский и другие бассейны). Подземные
высокоминерализованные воды и рассолы распространены с
небольших глубин до глубин, практически достигнутых буровыми скважинами (4000 – 5000 м).
6.4. Охрана подземных вод
Искусственными источниками загрязнения подземных вод
являются бассейны бытовых и промышленных стоков, участки
207
складирования отходов, загрязненные воды поверхностных водоемов, неисправная канализационная сеть, сельскохозяйственные
угодья с избыточным применением удобрений и ядохимикатов. К
природным или естественным источникам загрязнения можно
отнести сильно минерализованные подземные или морские воды.
Проникновение экотоксикантов в подземные воды возможно при фильтрации промышленных стоков из хранилищ и отстойников через зону аэрации, из затрубного пространства неисправных скважин, через поглощающие скважины, карстовые воронки, провалы и т. д.
По типу загрязнения подземных вод различаются:
а) химическое загрязнение: органическое (фенолы, нафтеновые кислоты, ядохимикаты); неорганическое (соли, кислоты,
щелочи); токсичное (мышьяк, соли цинка, свинца, ртути и др.);
нетоксичное;
б) бактериальное загрязнение, зависящее от величины начального загрязнения, водопроницаемости грунтов, времени выживания микроорганизмов;
в) радиоактивное загрязнение при контакте воды с радиоактивными породами и при выпадении на поверхность земли радиоактивных продуктов и отходов;
г) механическое загрязнение взвешенными веществами;
д) тепловое загрязнение, повышающее температуру подземных вод при смешении с более нагретыми поверхностными и
технологическими сточными водами при их закачивании через
поглотительные скважины.
Загрязняющие вещества при фильтрации в пласте сорбируются частицами пород, окисляются, восстанавливаются, выпадают в осадок. В сильно проницаемых грунтах и при значительных
уклонах подземного потока очаг химического загрязнения простирается до 10 км.
К мерам борьбы с загрязнением подземных вод относятся:
очистка сточных вод, создание безотходных производств, экранирование чаш бассейнов, перехват профильтровавшихся стоков
дренажными устройствами. Особо токсичные сточные воды закачивают в глубокие водоносные горизонты и массивы каменной
соли.
208
С целью предупреждения попадания загрязняющих веществ
в воду, используемую для питьевого водоснабжения, при организации водозаборов предусматриваются следующие технические
решения: устройство водозаборов выше по потоку подземных
вод; вдали от промышленных предприятий и сельскохозяйственных территорий, а также создание зон санитарной охраны вблизи
водозаборных сооружений.
Зоны санитарной охраны – это территории с особым режимом, непосредственно прилегающие к водозаборному сооружению и исключающие возможность загрязнения и ухудшения качества вод. Такие зоны подразделяются на два пояса: пояс строгого режима – не менее 30 м от водоприемного сооружения для
артезианских вод и не менее 50 м – для грунтовых вод; пояс ограничений.
В первом поясе запрещается закладка карьеров для добычи
песка, глины, бурение скважин, проходка шурфов, траншей, каналов. Во втором поясе не должно быть источников загрязнения,
запрещается устройство накопителей и других бассейнов сточных вод, сброс сточных вод через поглотительные скважины, а
также ограничиваются земляные, строительные и другие виды
работ. Размеры второго пояса не регламентируются и зависят от
типа водозабора, гидрогеологических и санитарных условий района.
6.4.1. Прогноз качества подземных вод
на участках водозаборов
Скорость продвижения к водозаборному сооружению подземных вод, содержащих загрязняющие вещества, обусловливается типом водозаборного сооружения, граничными условиями
водоносного горизонта, направленностью и скоростью естественного движения подземных вод, фильтрационной неоднородностью пород.
Наиболее часто используются артезианские водозаборы
платформенных областей, которым соответствует типовая схема
водоносного горизонта, не ограниченного по площади, и водозаборы речных долин, представляемые схемами полуограниченных
209
по площади водоносных горизонтов с контуром постоянного
подпора.
Естественное движение подземных вод определяет размеры
области питания или «захвата» водозаборного сооружения и характеризуется скоростью фильтрации.
Область питания – площадь водоносного горизонта, в пределах которой линии тока подземных вод направлены к водозаборному сооружению. Вне области питания линии тока минуют
водозаборное сооружение. Область влияния – площадь водоносного горизонта, на которой происходит снижение уровня подземных вод вследствие их отбора. При бассейновом питании водозаборного сооружения области питания и влияния совпадают, в то
время как в условиях потока подземных вод область питания является частью области влияния.
При ve = 0 естественное движение подземных вод отсутствует, область питания – весь пласт. При ve ≠ 0 в пласте формируется примыкающая к водозаборному сооружению и локализованная область питания, отделенная нейтральной линией тока. Вниз
по потоку область питания ограничивается водораздельной точкой А. Вверх по потоку простирается неограниченно.
Под длиной области пита-
ния xA понимают расстояние от водозаборного сооружения до точки
А, Ширина области питания в точке А равна нулю и увеличивается
вверх по потоку (рисунок). При
этом, чем больше расход водозаборного сооружения Q и чем
меньше скорость фильтрации естественного потока подземных вод,
тем больше размеры области питания. При низком значении
Q и высоком значении ve область
питания мала.
Рисунок. Характер движения вод
при водозаборе
210
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]