Гидрогеохимия / Тема 2 начало

Тема 2. Основные компоненты природных растворов

2.1. Химически «чистая» вода. Представление о ювенильных водах.

Любая природная вода содержит растворенные вещества; дистиллированная вода в природных условиях не встречается. Исключением может быть ювенильная вода, однако, представления о химическом и газовом составе ювенильных вод, масштабах распространения их в природе и т. д. далеко не однозначны, зачастую дискуссионны и противоречивы. Это и понятно, поскольку ювенильные воды формируются в глубоких земных недрах и процесс их образования недоступен прямому наблюдению, а на поверхность они поступают в сильно измененном виде.

Термин «ювенильные» воды впервые был предложен в 1902 году Э. Зюссом для вод, образовавшихся в глубоких недрах земли в результате дегазации магматических расплавов. При этом подчеркивалось, что это воды новые, ранее не принадлежавшие гидросфере и не участвовавшие ни в каких видах водных круговоротов Земли. Позже эта категория многократно уточнялась и модифицировалась многими исследователями [Саваренский, 1935; Семихатов, 1954; Ланге, 1969; Карцев, 1972; Самарина, 1977; Пиннекер, 1980; Ежов, 1981; Мартынова, 1983; Хаустов, 2011 и др.].

Таким образом, смысл термина ювенильная вода существенно трансформировался, в связи с чем можно сделать заключение: понятие ювенильные воды в настоящее время не имеют четкого и конкретного содержания.

В связи с неясностью в толковании категории «ювенильные воды» В.В. Хаустовым (2011) предлагается ввести понятие ювенильного водного флюида (ЮВФ).

ЮВФ представляет собой первичную, в понимании Э. Зюсса, воду, зарождение которой осуществляется в верхнемантийных, а возможно и более глубоких очагах плавления (плюмы, «горячие точки»), которая мигрирует в сторону поверхности Земли вместе с сопутствующими летучими, в первую очередь газами.

Синтез воды, входящей в состав ЮВФ, сопряжен с процессом плавления мантии при рифтогенезе или же связан с более глубокой («холодной») дегазацией Земли. Прямых диагностических признаков для воды, входящей в состав ЮВФ, на сегодня не существует, так как по сравнению с другими водами он изучен гораздо хуже. Тем не менее, современная наука, безусловно, располагает определенной информацией о целом наборе характерных признаков, касающихся ЮВФ.

Возможности идентификации ЮВФ значительно расширяются за счет изучения изотопных соотношений его газовой составляющей, наиболее информативным и достоверным здесь считается изотопное соотношение ³Не/⁴Не («мантийная метка» - ³Не/⁴Не=R~10^-5) [Якуцени, 1968; Мамырин, Толстихин, 1981; Kyser, Rison, 1982; Lupton, 1983; O'Nions, 1984 и др.; Поляк, 1988; Прасолов, 1990 и др.].

Что же касается минерализации и солевого состава ювенильных вод, то в гидрогеохимии трудно найти еще один вопрос, по поводу которого мнения ученых были бы столь же противоречивы. Одна группа исследовате­лей считает их крепкими рассолами [Дерпгольц, Гавриленко, 1971; Капченко, 1966 и др.], другая - водами с очень низкой минерализацией [Мартынова, Грачев, 1980; Карцев, 1972; Ежов, 1976; Розин, 1977 и др. ], третья настаивает на их близости с водой современного океана. [Rubey, 1964; Валяшко, 1966; Виноградов, 1989; Когарко, Рябчиков, 1978 и др.]. Наиболее убедительной В.В. Хаустову(2011) представляется гипотеза М.А. Мартыновой, поскольку в момент своего зарождения ювенильные воды не могут содержать в себе растворенных веществ.

Природная вода представляет собой водный раствор, т. е. дисперсную систему. В этом растворе чистая вода является растворителем (диспергатором), а содержащиеся в ней вещества — растворенными компонентами (дисперсной фазой).

«Чистую» воду можно рассматривать как полимеризованную жидкость с формулой (Н₂О)n. Степень полимеризации n зависит от температуры и давления. Так называемые кластеры (агрегированные полимолекулы), встречающиеся наряду с отдельными молекулами воды, обычно имеют при 0°С структурную формулу H₁₈₀O₉₀, а при 70°С – Н₅₀O₂₅ [57 Holting В. Hydrogeologie — Einfuhrung in die Allgemeine und Angewandle Hydrogeologie. Stuttgart, 1980.].

Как показывают характеристики электропроводности, «чистая» вода также диссоциирует по схеме

2Н₂O ⇆ Н₃О⁺+ОН^-.

Часто упрощенно вместо Н₃О⁺ записывают Н⁺; тогда ионное произведение воды K_в будет иметь вид: K_в = c_н+ c_ОH-= [Н⁺] [OН^-]. Величина K_в зависит от температуры и при 25°С составляет 1,0-10^-14 моль²/л².

Водородный ион (H⁺).

Таким образом, диссоциация воды, представленная уравнением

, (1)

предопределяет присутствие в природном растворе ионов водорода и гидроксил-иона.

Концентрации ионов водорода и гидроксил-иона в нейтральной среде составляют 10-7 г-моль/л; поскольку ионная масса водорода равна 1, эта величина равна 10^-7 г/л, или 10^-4 мг/л. Концентрации ионов водорода из-за их малых значений принято выражать в логарифмической форме .

Для большинства природных вод pH изменяется в пределах от 6 до 8. Воды с низкими значениями pH (иногда до 2–3) встречаются в зонах окисления сульфидных руд, обычно обогащенных серной кислотой, образующейся по реакциям типа

; (2)

. (3)

Концентрация ионов водорода в таких водах может достигать десятков миллиграммов на литр; они активно взаимодействуют с карбонатными породами, переносят на большие расстояния ионы металлов.

Природные воды, представляющие собой растворы соляной или серной кислоты, встречаются в кратерах некоторых вулканов на Камчатке и Курильских островах. Содержание ионов водорода в таких водах может достигать десятков и даже сотен миллиграммов на литр, а pH снижаться до 1,5–2 и ниже.

Гидроксил-ион (OH^–). В большинстве природных вод концентрации гидроксил-иона, определяемые значениями , очень малы. Воды с повышенной щелочностью характерны для содовых озер, для зон выщелачивания щелочных пород. В таких водах pH может повышаться до 10–11. В исключительных случаях могут формироваться воды с pH, достигающей 12,3–12,5. Соответственно концентрация гидроксил-иона в таких водах достигает уникального значения – около 400 мг/л. Такие воды встречены в Иордании в источниках бассейна р. Ярмук и формируются, видимо, при растворении редкого минерала портландита , образующегося при термическом разложении карбонатных пород.

2.2. Изотопный состав природной воды

Благодаря работам Вл.Ив. Ферронского, Иг. Нест. Толстихина по изотопии воды нам известно, что в природе вода, в основном, представляет собой смесь девяти различных молекул (Н₂¹⁶О, Н₂¹⁷О, Н₂¹⁸О, HD¹⁶О, HD¹⁷О, HD¹⁸О, D₂¹⁶О, D₂¹⁷О, D₂¹⁸О), отличающихся изотопами водорода (¹H— протий, ²H(D)—дейтерий и ³Н(Т)—тритий) и кислорода (¹⁶О, ¹⁷О и ¹⁸О).

Водород.

¹H – протий – 99,98 %

²Н (D) – дейтерий – 0,02 %

³Н (Т) – тритий – 3 ^. 10^-16 %

На Земле 3-10 кг ест. трития. Период полураспада 12,26 лет

Кислород.

¹⁶О; ¹⁷О; ¹⁸О – стабильные изотопы кислорода;

¹⁴О; ¹⁵О; ¹⁹О – короткоживущие;

¹⁶О – 99,76 %

¹⁷О – 0,04 %

¹⁸О – 0,20 %

SMOW – Standard of Marine Ocean Water D – 0,0158 ^о/_оо; ¹⁸О – 0, 1985 ^о/_оо

99,8 % молекул воды имеют массу 18(¹H¹⁶О¹H). Вода с формулами D₂¹⁶О, D₂¹⁷О, D2¹⁸О называется тяжелой (ее получают при длительном электролизе обычной воды) D₂O: плотность – 1,1 г/см³; t_плавл – 3,81^о; t_кип – 101,4^о; плотность _макс при 11,3^о

Прямая Крейга: D = 8 ¹⁸O + 10 ^о/_оо

Вода, содержащая сверхтяжелый изотоп водорода, — тритий (образуется в процессах ядерного распада)—называется сверхтяжелой (Т₂О)

[5 Возная Н. Ф. Химия воды и микробиология. М., Высшая школа, 1979].

С участием трития, образующегося также в атмосфере под действием космического излучения, происходит примерно10^-20 частей образования ³Н¹⁶О¹Н на одну часть Н₂О. Эта водная молекула играет важную роль в качестве мигранта-трассера для определения возраста «молодых» вод зоны активного водообмена.

Т₂О:  – 1,33 г/см³; t^о_пл – 9^о; t^о_кип 104^о; Ест. фон 3-5 Т.Е.; Теперь: 2 Т.Е.