Химический состав подземных вод

Под химическим составом природных вод принято понимать весь сложный комплекс газов, коллодов минерального и органического происхождения.

Воды, бедные йодом, влекут базедову болезнь (увеличение щито­видной железы). Наличие болезнетворных бактерий, некоторых классов органических веществ (фенолов, бензола и др.), тяжелых металлов влияет на санитарно-гигиеническую оценку подземных вод. Применение минеральных лечебных вод основано главным об­разом на содержании в них различных физиологически активных компонентов химического и газового состава.

Многие подземные воды содержат некоторые ценные компо­ненты в таких количествах, что их извлекают из вод в промыш­ленных масштабах. Такие воды называются промышленными. Так, весь добываемый для использования в народном хозяйстве йод из­влекают из подземных (йодных) вод, также из подземных (бромных) вод получают большую часть брома. В настоящее время весьма пер­спективным является комплексное извлечение из промышленных подземных вод таких химических элементов, как стронций, бор, литий, германий, рубидий, цезий и др.

Очень важно знать химический состав вод, используемых при орошении земель, так как их общая минерализация, содержание в них ряда компонентов влияют на развитие сельскохозяйственных культур, засоление почв.

Применяемый в настоящее время в геолого-поисковой практике гидрохимический метод поисков рудных и нефтегазовых место­рождений основан на изучении закономерностей распределения в подземных водах их минеральных и органических компонентов, определении их газового и бактериального состава. Изучение хими­ческого состава вод и прогноз его изменения необходимы при раз­работке месторождений полезных ископаемых, а также при раз­личных видах строительства, чтобы своевременно предусмотреть меры против коррозии бетона и металла посредством воды. По мере накопления знаний о составе и свойствах подземных вод будет рас­ширяться и область теоретического и практического их приме­нения.

Ионный и солевой состав

Ионный и солевой состав. В природных водах обнаружено более 80 химических элементов, среди них макроэлементы (макрокомпо­ненты), определяющие химический тип воды, микроэлементы (микрокомпоненты), а также газы, органические соединения и микрофлора. Они находятся в воде в виде ионов (катионов и ани­онов), простых и комплексных молекул, коллоидов. Сумма всех найденных при химическом анализе воды минеральных веществ (в мг/л и г/кг) называется минерализацией воды.

Макроэлементы

Макроэлементы. Важнейшими ионами (согласно ГОСТу «глав­ными»), определяющими минерализацию воды, являются: К⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Сl^-, SO₄^2-, HCO^-₃, СО₃^2-. В пресных водах обычно пре­обладают ионы Са²⁺ и НСО^-₃, а в соленых — Na⁺ и Сl^-. Поэтому пресные воды в основном имеют гидрокарбонатно-кальциевый со­став, а соленые — хлоридно-натриевый. Различное сочетание ука­занных ионов дает очень большое разнообразие химических типов подземных вод.

Наиболее широко распространены Сl^-, HCO^-₃, СО₃^2-, SO₄^2-, Na⁺, К⁺, Са²⁺, Mg²⁺, которые часто называют главными; их разнооб­разные сочетания определяют основные типы природных вод.

В природных водах содержатся также ионы ОН^-, F^-, NO^-₃, NO^-₂, Н⁺, NH⁺₄, Fe²⁺, Mn²⁺, Sr²⁺ и некоторые микроэлементы — йод, бром, бор, медь, свинец, мышьяк, барий, хром и т.д.

Микроэлементами называют те химические элементы, которые находятся в водах в количестве < 10 мг/л. Некоторые из них (бор, медь, молибден) повышают урожаи сельскохозяйственных культур (микроудобрения).

В щелочных водах в виде ионов может присутствовать также Si0₂, а в кислых (распространенных на севере) — Fe³⁺, А1³⁺ и другие металлы. Необходимо подчеркнуть, что малое содержание в водах таких элементов, как Si, Аl и Fe, широко распространенных в горных породах, объясняется их малой подвижностью и раство­римостью; наоборот, Сl^- и Na⁺ весьма подвижны и хорошо раство­римы (Кирюхин, Толстихин, 1987).

Наиболее изучены йод, бром, фтор, бор, кремний, железо, алю­миний, медь, цинк, свинец. Многие из микроэлементов, хотя и не определяют химического типа воды, являются специфическими для определенных геолого-гидрогеологических условий. Например, для вод нефтегазовых месторождений характерны йод, бром, бор, стронций, содержание которых может достигать сотен и более мг/л. Для вод рудных месторождений характерны медь, молибден, мы­шьяк, никель, железо, олово, ртуть, свинец, серебро и др.; содер­жание их обычно составляет единицы и десятки мг/л, но может достигать и сотен мг/л.

Главными ионами являются следующие.

Хлор-ион Сl^-. Он находится в воде в виде соединений хлористого натрия. Главный компонент солоноватых, соленых и рассольных вод — хлор вызывает засоление почв и грунтовых вод, вреден для растений. Если присутствие хлора в подземных водах обусловлено растворением каменной соли морского происхождения, то такая вода не опасна в санитарном отношении, а только может иметь со­леный привкус. Хлор-ион может иметь и эндогенное происхож­дение (выделение при вулканических извержениях), он также не опасен в санитарном отношении. Если же в густонаселенных районах в неглубоко залегающих грунтовых водах при отсутствии каменной соли обнаруживается повышенное содержание хлора, то это указывает на загрязнение вод, и употребление таких вод для питьевых целей не разрешается.

Сульфат-ион SO₄^2- в соединениях с кальцием и магнием обуслов­ливает жесткость воды (постоянную), засоляет почвы и грунтовые воды, ядовит для растений. Происхождение ионаSO₄^2- в водах раз­лично: выщелачивание гипса или ангидрита в осадочных толщах морского происхождения, окисление сульфидных минералов (пре­имущественно пирита) в песчано-глинистых отложениях, разло­жение диоксида серы и H₂S, а также загрязнение сточными водами.

Гидрокарбонатный ион HCO^-₃ очень широко распространен в водах. Его появление вызывается растворением карбонатов Са²⁺ и Mg²⁺. Гидрокарбонатный ион обусловливает щелочность под­земных вод. Карбонатные соединения в подземных водах при обычных температурах и давлении труднорастворимы. На рост рас­тений и плодородие почв углекислые соединения оказывают раз­личное воздействие: так, поташ К₂С0₃ полезен для растений, сода Са₂С0₃ • 10Н₂0 вредна, а кальцит СаС0₃ — нейтрален. Содержание карбонатного иона в водах, используемых для питьевых и ороси­тельных целей, не лимитируется.

Натрий-ион Na⁺ широко распространен в подземных водах и сопутствует главным образом иону хлора (в солоноватых и со­леных водах), реже он связан с сульфатным и гидрокарбонатным ионами. Однако в пресных водах (до 1 г/л) он часто присутствует в виде соды. Все соединения натрия вредны для растений.

Калий-ион К⁺. Содержание этого иона в подземных водах на­много меньше, чем натрия, хотя процентные содержания этих эле­ментов в земной коре (кларки) близки (Na — 2,83; К — 2,59). Это объясняется главным образом тем, что калий хорошо усваивается растениями, являясь одним из главных источников их питания, а также легко поглощается глинистыми минералами.

Кальций-ион Са²⁺ и магний-ион Mg²⁺ очень широко распростра­нены в водах, они обусловливают важное свойство вод — их жест­кость. Источником Са²⁺ в подземных водах являются известняки, гипс, минералы-алюмосиликаты. Ионы магния поступают в воду при растворении доломитов, мергелей, слюд, амфиболов. В пре­сных водах обычно Са²⁺ доминирует над Mg²⁺, что объясняется преобладанием в породах Са²⁺ над Mg²⁺ и большей энергией удер­жания при адсорбции.

Железо. Валентность железа различна; Fe²⁺ <-> ± Fe³⁺ — эта ре­акция широко распространена и имеет большое значение В водах железо присутствует в закисной форме в виде иона Fe²⁺, окисной — в виде иона Fe³⁺ и коллоидов. Оксидные формы железа неустой­чивы, в присутствии кислорода легко окисляются. Процесс окис­ления происходит при участии бактерий.

В водах с нейтральной реакцией (pH ~ 7) железо малоподвижно, а в кислых (pH < 7) оно легко переходит в раствор и выносится из породы (так называемый подзолистый тип почвообразования). Соединения железа придают воде неприятный вкус и чернильный оттенок. В питьевых водах допустимый предел содержания соеди­нений железа — до 0,3 мг/л.

Газовый состав

Газовый состав. Практически все подземные воды содержат то или иное количество растворенных газов. По закону Генри их ко­личество по массе прямо пропорционально давлению газа (или парциальному давлению в смеси газов). Основными газами явля­ются 0₂, N₂, С0₂, H₂S, Н₂, СН₄. В большинстве случаев по массе преобладают один или два, редко три газа.

Большое геохимическое значение имеет кислород, содержание которого уменьшается с глубиной. Кислород расходуется на окис­ление минеральных и газовых компонентов воды, а также на обра­зование сложных кислородсодержащих ионов SO₄^-, HCO₃^-, СО₃^2- и др.

Углекислый газ очень химически активен, с водой и ее компо­нентами он вступает в многочисленные реакции, участвует в рав­новесии С0₂ — С0₃^2- — HCO^-₃; характерен для углекислых мине­ральных вод, в которых его количество достигает нескольких г/л. Азот содержится во всех водах и составляет до 95—99% общей газо- насыщенности вод.

Сероводород характерен для глубоких вод, иногда его содер­жание достигает нескольких сотен мг/л (Мацеста); он является важным агентом химических реакций, участвует в равновесии H₂S - SO^-2₄ - SH.

Углеводородные газы (метан, этан, пропан, бутан и др.) всегда насыщают воды нефтегазовых месторождений. Метан часто пре­обладает над другими газами, образуя метановые воды с газонасы- щенностью до 10 ООО мл/л. Водород менее изучен; он иногда со­ставляет 25—30% общего количества растворенных газов.

Помимо основных вышеназванных газов в подземных водах могут присутствовать инертные газы (неон, аргон), гелий, эма­нации радия и тория, а также СО, НСl, HF, S0₂, Cl, S, NH₃. Большой интерес представляют так называемые фумарольные термы областей современного вулканизма, содержащие газы слож­ного состава (НСl, HF, СО, С0₂, H₂S, S0₂ и др.). Воды, содер­жащие значительное количество углекислоты, большей частью имеют кислую реакцию; воды, содержащие кислород, действуют как окислители, а содержащие сероводород — как восстановители.

Кислород 0₂ содержится в подземных водах в довольно значи­тельных количествах (до 14 мг/л). Обогащение подземных вод кис­лородом происходит при фотосинтезе. К процессам, уменьшающим содержание растворенного кислорода, относятся реакции, свя­занные с его потреблением на окисление различных веществ, в частности органических, загрязняющих воду, а также брожение, гниение и т.д.

Углекислота С0₂, присутствующая в воде в виде растворенного углекислого газа, носит название свободной. Просачиваясь в горные породы, вода обогащается углекислотой, образующейся в результате разложения органических соединений при участии микроорганизмов.

Коллоидный состав

Коллоидный состав. В коллоидном состоянии в воде присут­ствуют гидроксиды железа Fe(OH)₃ и алюминия А1(ОН)₃, кремне- кислота Si0₂ и органические соединения. Эти вещества образуют неустойчивые коллоидные растворы (золи), которые выделяют коллоидно-растворенное вещество в виде гелей.

Органические соединения

Органические соединения весьма широко распространены в под­земных водах. Это представители всех химических групп (углеводы, белки, жиры) и таких органических соединений, как углеводороды, спирты, гумусовые вещества, гуминовые кислоты, карбоновые кис­лоты.

Общее содержание С_орг колеблется от 25 до 40 мг/л. При этом грунтовые воды аридных зон содержат 20—25 мг/л С_орг, гумидных — 35 мг/л, а глубокие напорные воды — до 40 мг/л. Эти вещества представляют собой неустойчивые химические соединения слож­ного состава (гуминовые вещества, гуминовые кислоты). Гуму­совые вещества неядовиты и с гигиенической точки зрения без­вредны, они придают воде характерные свойства — желтый цвет, затхлый запах и сладковатый вкус.

Микрофлора

Микрофлора. Бактерии обнаружены в подземных водах, распо­ложенных на глубине до нескольких километров. В зоне активного водообмена наиболее распространены гнилостные и болезне­творные бактерии и сапрофиты, разлагающие вещества белкового характера и загрязняющие воду. В глубоких водах развиваются такие группы бактерий, как сульфатредуцирующие, метанообразу­ющие, денитрифицирующие и др. В результате жизнедеятельности бактерий образуются многие газы: H₂S, С0₂, СН₄, N₂, Н₂ и др. Многие бактерии способствуют окислению минеральных и органи­ческих веществ, газов. Это тионовые и серобактерии, бактерии, окисляющие водород, метан, гептан и др. Большая часть бактерий относится к термофилам, активно развивающимся при температуре более 37°С.

Предел температуры, при которой еще может протекать, хотя и в ослабленном виде, жизнедеятельность организмов, составляет 75—80°С. Существует ряд бактерий, способных развиваться при ми­нерализации воды до 300 г/л. Число бактерий колеблется от 10 до 500 тыс. клеток в 1 мл воды. В особо благоприятных условиях их количество может достигать 2 млн клеток в 1 мл воды.