8.1.4. Практическое применение геотермических методов в гидрогеологии
По температуре подземных вод можно устанавливать глубины их залегания, характер источников и их связь с определенными водоносными горизонтами. В процессе гидрогеологической съемки геотермические методы широко применяются в совокупности с другими при прослеживании скрытых зон разломов, при поисках и разведке термальных подземных вод и различных месторождений полезных ископаемых.
Практическое использование геотермальных вод более подробно рассматривается в курсе «нефтегазовая гидрогеология».
9. Свойства и состав природных вод
9.1. Распространение воды на Земле и уникальность ее свойств
По сравнению с водородом (отец воды, 93% атомов вселенной) вода во вселенной – вещество более редкое из планет солнечной системы. Только на Марсе и Юпитере имеется незначительное количество воды. Но жизнь есть только на Земле.
Почти по всем своим параметрам вода уникальное вещество, резко отличающееся от других природных соединений.
1) Если сравнивать воду с гидридами VIII таблицы Менделеева, то все они кипят при отрицательной температуре и плавятся тоже по экстраполяции. Эти температуры для воды должны быть -70 и -1000С.
По всем канонам таблицы вода должна быть дурно пахнущим газом.
2)Теплоемкость – коэффициент теплоемкости – количество тепла, затрачиваемое на нагревание 1кг вещества на 10С при постоянном давлении. У воды самая высокая теплоемкость =4,19 Дж/0С из всех жидкостей. Это приводит к медленному нагреву и медленному остыванию воды, что делает ее главным регулятором климата на Земле.
3) Самая высокая из всех жидкостей диэлектрическая постоянная (ع=80,1 при t = 200С), т.е. сила взаимодействия между зарядами весьма ослаблена. Это приводит к инертности воды как растворителя, т.е. вода в большинстве случаев сама не участвует в химических реакциях с растворенными веществами, и они могут быть вновь получены при выпаривании водных растворов. Это свойство имеет огромное значение в появлении жизни на Земле.
4) В отличие от других жидкостей вода обладает максимальной плотностью (ρ =1,00 г/см3) не при температуре плавления, а при t=40C. Чистый пресный лед при 00С имеет плотность ρ=0,918 г/см3. Лед не тонет в собственном расплаве только у воды, поэтому корка льда образуется с поверхности и защищает живые организмы от гибели. В гидрогеологическом отношении это имеет огромное значение, т.к. сохраняется возможность дренирования водоносных горизонтов. При замерзании вода увеличивается в объеме на 10%.
5) Кроме того, вода обладает аномалиями в отношении коэффициента преломления лучей, распространения звука, капиллярности, вязкости и др.
Вода на нашей планете выполняет разнообразные, сложные функции, не выпадающие на долю какой бы то ни было другой жидкости. Вода одновременно является основанием, кислотой и солью, ее структура весьма сложна и гибка.
9.1.1. Строение и структура воды
В 30-х годах 20века Д. Бернал и Р. Фаулер, исследуя строение воды, установили, что ее молекула окружена по тетраэдру четырьмя другими. То есть жидкая вода имеет сложное строение, а отдельные молекулы ее связаны дополнительными связями. Это явление и называется структурой воды. Но полного тождества с кристаллической решеткой минералов нет: жидкая вода
является смесью мономерных и полимерных молекул; связи между отдельными мономерами динамичны, т.е. они постоянно появляются, разрушаются, усиливаются, ослабевают. Это динамическое равновесие выражается равенством, предложенным Армстронгом Н2nОn ↔nН2О.
Структура воды обусловлена главным образом существованием водородных связей, которые имеют электростатическую природу, но они слабее нормальной валентной связи между атомами О и Н. В основе структуры воды лежит диполь Н+-ОН-, который может создавать агрегаты (ассоциаты) из нескольких молекул Н2О (рис.18).
Существует несколько моделей структуры воды. Д. Бернал и Р. Фаулер предположили существование трех типов расположения молекул
а) структуры кристаллической решетки льда (О0С - 40С)
б) структуры типа кварца (4-2000С)
в) структуры с плотной упаковкой, почти лишенные водородных связей (>2000С).
На основании квантово-механических представлений итальянский ученый М. Аджено считает, что каждая молекула Н2О может участвовать не более чем в двух коллективных связях, образующих звенья различных типов (цепочки, кольца, и др.). Кольца из 6-ти молекул приближаются к структуре льда.
Рис.18. Аномалии вод
Рис. 17. Структура воды
Рис.19. Ассоциаты молекул (диполей) воды
С позиций структурного строения воды объясняются и ее аномальные свойства. Поскольку структура воды формируется электростатическими связями, на нее воздействуют различные поля (температурное, геодинамическое, магнитное, электрическое), с повышением температуры структура воды начинает разрушаться и при критической точке 3740С (абсолютно чистая вода) полностью разрушается. Повышение давления приводит не к увеличению вязкости, как у других жидкостей, а к уменьшению и только при ~100МПа вязкость повышается.
Воздействие электрического поля приводит к увеличению скорости испарения (на 11-18%).
Положительно влияет на организм человека «намагниченная» вода, а также в магнитном поле уменьшается накипеобразование, увеличивается всхожесть семян многих сельскохозяйственных культур при замачивании их «магнитной» водой.
В 60-х годах Н.Н. Федякиным открыта вода -2. Образуется она при конденсировании паров воды в тонких кварцевых капиллярах диаметром 5-20μ. Ее свойства изучались многими отечественными и зарубежными учеными. Оказалось, что это вязкая жидкость с плотностью около 1 г/см3 и показателем преломления 1,49 (против 1,33).
Замерзает при – 35 - – 400С без скачка объема, Т0кип. ~ 2500С.
Модификационное состояние полученного вещества устойчиво и сохраняется при перегонке. Вода – 2 строго отвечает формуле Н2О. Кварц капилляров видимо выполняет роль катализатора при синтезе воды – 2.