13. Формирование ионного состава природных вод

Главными компонентами являются ионы солей HCL, H2CO3 с мет. Na, K, Mg, Ca. Они составляют в пресных водах до 95% всех р-х веществ, а в высокоминеральных водах свыше 99%. Нижним пределом концентрации для главных ионов считается концентрация 1мг/л, поэтому для морских вод главным компонентом относ. Ионы Br, B, Sr. Ионная форма главных компонентов свойственна только для маломинерализованных вод. При увеличении концентрации между ионвми усиливается взаимодействие, направленное на ассоциацию ионов, при этом образуются ассоциированные ионные пары, несущие заряд (CaSO4, MgSO4,CaCO3,MgHCO3,CaHCO3).

Происхождение анионного состава воды связано с газами, которые связаны при дегозации земной мантии. Состав сходен с составом вулканических газов наряду с вод. паром выделяется HCL,NO3, CO2, CO, CH4. Т.к атмосфера носит окислительный характер в воде присутствуют сульфатные, нитратные ионы, также анионы других кислородных кислот. Часть катионов выносится непосредственно из недр земли. Разлож. Извержения парод происходит под действием воды и усиливается в присутствии к-х парод, которые также пост-т из недр земли и океана. По химическому составу изверженные кристаллические породы слагающие часть земной коры принадлежат к алюмоселикатам сложного состава.

Главные породообразующие минеральные извержения пород

Кварц – 2-12%

Плагиоглад (альбит, анортит) – 47%

Ортоклас – 16-18%

Пироксен (энстатит Mg[SiO6] )- 19-20%

Магнетит (магнитный железняк содержит до 72,4% железа Fe3O4) и

5% Апатит Ca10r2(po4) (r-cl или f)

Не смотря на внешнюю прочность изверженных пород они медленно подвергаются к выветриванию. Сначала идет физ. выветривание под действием колебаний температур, механ. стирание и растрескивание, при замерзании воды. После механического выветривания наступает химическое выветривание: альбит и анартит подвергаются распаду по след. реакциям:

Альбит - 2Na2AL2Si6P16 + 6H2O = (OH)8AL4[Si4O10]+ NaHSiO3 + 4SiO2

Анортит - 2CaAl2Si2O8 +6H2O= (OH)8AL4[Si4O10] + Ca(OH)2

При наличии анионов к-т, как Н₂SO₄, HCL, H₂CO₃. образуется негидроселикат, а соль соотв. к-ты. Кремниевая к-та выделяется либо виде SiO₂, либо в виде сложного минерала. Таким образом в рез-те хим. выветривания с одной стороны образуется нерастворимые продукты – глинистые минералы каолинит, гаолуфзит, гидрослюды, также разновидные оксиды кремния – кварц, опал образуются различные растворимые вещества в воде, соли. Кроме того, образуется ион HSiO₃ и недиссоциированный H₄SiO₄. в небольшом количестве в раствор переходит ионы других элементов. Следовательно катионы природной воды образуются в процессе разложения аминосиликатов земной коры, а анионы в процессе разложения продуктов дегазации мантии. Под влиянием климатических и др.условии состав природных вод может приобретать специфические черты, это характерно атм. осадкам,воды озер, подземных вод,рек. Из всех природных вод наименьшую минерализацию атм.осадки, но по химическому составу они разнообразны.

Состав атмосферных осадков определяют аэрозоли атмосферы, которые создаются пылевидными минералами частицами коры выветривания, а также высокодисперс. агрегат. р-ых солей различной степени увлажненности. По хим. составу аэрозоли отражают состав подстилочной поверхности, процессы взаимодействия в атмосфере тв.в и воды. Ионный состав аэрозолей очень разнообразен. При колебаниях, происходящих в течении нескольких лет, минерализация осадков в европейской части составляет 10-20 мг/дм³, а для всей территории нашей страны 3-60 мг/дм³.

Ионный состав атмосф. осадкой очень пестрый, но преобладают SO4, HCO3, Na,K, Ca. На морском побережье в результате механического выноса солей в атм. увелич. концентрация хлора, а по мере удаления от побережья – уменьшается. Увеличение содержания SO4, обусловленно окислением SO2, и H2S, а так же поднятием сернокислых солей с засоленных поверхностей почв, соленых озер, с\х полей, и при выбрасывании в атмосферу предприятиями теплоэнергетики, автомоб. тр-том, хим. и метуллург. производствами.

Воды большинства рек и озер нашей страны принадлежат гидрокарбонатному классу. Площадь бассейнов этих рек 90% территории нашей страны. По составу катионов вода рек относится исключительно к группам кальция. Природных вод гидрокарбонатного класса в нашей стране мало. К ним относится воды на севере европейской части страны и на большей территории Азии нашей страны. Их распределение совпадает с залеганием почв тундры. Эти почвы бедны солями, но содержат значительное количество органических веществ. Меньше распределены прир. воды средней минерализации. Эти воды занимают всю европейскую часть в зоне лесов и лесостепей. Еще меньше площадь, занимаемая бассейнами рек повышенной минерализации. Эти воды распределены на юге европейской части страны в зонах степей взаимодействия с черноземами, которые располагаются на плотных гидроксильных породах гидрокарбонатной воды с минерализацией более 1000 мг/дм³ встречается редко, связано с особ. р-ия и существование в растворе гидрокарбоната кальция и магния. Для поддержания в растворе этих соединений необходимо значительная концентрация в растворе CO₂.

Речные сульфатные воды в малой и средней минерализации встречаются редко, в большинстве случаев для этих рек присуще повышенная минерализация. Реки хлорного класса встречаются редко площадь бассейнов этих рек - 7% от площади всех бассейнов. Располагаются реки на территории нижнего течения Волги на западе, до верхнего течения на востоке. К этим территориям относятся степи, полупустыни. Ионы натрия преобладающие. Минерализация воды озер изменяется в очень широких пределах, от очень низких до очень высоких, которая наблюдается в самих озерах, насыщенных солями. Различие минерализации отражается на ионном составе воды озер. В этом составе наблюдается зак-ти, которые свойственны речной воде. С повышением минерализации происходит рост ионов: HCO3 – SO4 – CL, Ca – Mg – Na.

До 1000 мг/дм3 – в озерной воде преобладает Ca(OH)2, свыше 1000 мг/дм3 преобладает SO4 ионы. По достижению минерализации 3-5 мг/дм3. в зависимости от особенностей водосборной площади преобладают сульфо или хлорид ионы. В составе катионов озерных вод роль кальция сохраняется до 2 мг/дм3. При дальнейшем росте минерализации преобладающую роль начинает играть ионы натрия и магния. Причиной подобного распределения ионного состава – различное распределение ионных солей. По составу вод подовляющ-ся оз является гидрокарбонат кальция. Подземные воды обладают исключительным разнообразием химического состава. Ионный состав зависит от условия формирования и залегания. В России распространена схема веревочной гидродинамики занятости подземных вод. По глубине залегания подземных вод различаются на три зоны:

1 зона – активный водообмен (верхний). Воды ее находятся выше местного базиса эрозии.

2 зона – затрудненного водообмена (средний).

3 зона – относит. застоиных вод (нижний). Изолирована от воздействия поверхностных вод и смена водных масс осуществляется в течении времени.

4 стадии формирования грунтовых вод засушливых зон

1 стадия – селикатно-карбонатных вод с малой минерализации и характеристическим формированием ионов кальция, натрия, магния. При насыщении воды солями в виде карбоната кальция и селиката выпадает в осадок.

2 стадия – сульфо-карбонатных вод. Характерно повышенная минерализация 3-5 мг/дм3. выпад в осадок при насыщении карбонатом кальция и сульфата кальция совместно с соединением кремния.

3 стадия – хлоридно-судьфатных вод. При минерализации 5-10 мг/дм3. верхний предел может быть при высоких минерализациях, при повышенных концентрациях ионов SO4. характерно выпадение сульфата и нитрата.

4 стадия – сульфатно-хлоридных вод. Характерно при расположении подземных вод в бессточных ра-х. Средняя концентрация = 2 мг/дм3. под саланцами с=70г/дм3, в саляных грязях с = 200 г/дм3. характеризуется насыщенностью селикатно-карбонатных и сульфата натрия, который выпадает в осадок. При высоких минерализациях большое значение имеет процессы катионного обмена ионы натрия на магний и кальций. Следствие того, что в грунтовых водах не достигается концентрации, при которых выпадает в осадок хлорид натрия, в этих водах при б минерализации редко наблюдается преобладание ионов кальция , магния. Минерализация п.в осадочных пород связана с условием осадкообразования. В артезианских б-ах, сложенных осадочными породами пресноводными вод, высокоминеральные воды отсутствуют. Засорены осадки и воды морского происхождения. Между характером солей существует зависимость: минерализация прямо пропорционально зависит от стадии до которой происходила концентрация воды древнего моря. В под-х бассейнах в разрушении которых встречается долониты минерализация – 8мг/дм3, если Гиббс – 27 г/дм3. изменение минерализации подземных вод средней зоны возникает изменение ионного состава. Если в засоленные толщи поступают пресные воды, то они вступают в обменные реакции с поглащающимся компонентом пород с натрием. Постоянный обмен натрия на хлор, при этом происходит реакция:

I тип – Ca + HCO3 + Na2пор Сaпр + 2Na + 2 HCO3

Mg+ 2HCO3 + Na2пор Mgпор + 2Na + 2HCO3

Такие процессы происходят при отсутствии CaSO4:

II тип – Ca + SO4 + Na2пор Caпор + 2Na + SO4

Mg + SO4 + Na2пор – Mgпор + 2Na + SO4

При дальнейшем фильтровании через засоленные галитом породы в воде увеличивается концентрация ионов натрия и хлора и обмен ионов кальция из воды на ионы натрия в породе прекращается. Достигается адсорбционное равновесие.

C a + Na2пор Са пор + 2Na

Увеличивается содержание кальция, за счет растворение гипса приостанавливается, т.к произведение растворимости: [Cu] [SO4] = ПР

При дальнейшей реакции галита и достигается большая концентрация натрия. Равновесие будет смещаться в обратном направлении с заменой Ca и Na в породе на натрий в растворе. Образуются воды 3 типа. Воды нижней зоны занимают самые глубокие слои артезианских бассейнов часто образуют мощные напорные системы. Они изолированы от земной поверхности, называют водами запретных стр-р. По ионному составу воды нижней зоны почти искл. хлоридные. В составе которых преобладает ион магния, реже кальция. Соответствуют 3 типу.