Ионно-солевой состав подземных вод

К макрокомпонентам или главным ионам относятся элементы, имеющие высокие кларки и ха­рактеризующиеся хорошей растворимостью природных соединений. Содержание их может быть весьма значительным; они определяют химический тип воды и ее главнейшие свойства. Это Сl ^-, SO₄^2-, НСО₃^-, (СО₃^2-), Na⁺ (К⁺), Са²⁺, Mg²⁺. Они образуют основную часть минерального состава природных вод. Их содержание в слабомине­рализованных водах (пресных) выше 90—95%, в высокоминерализо­ванных (рассолах) — более 99%. В пресных и солоноватых водах обычно преобладают ионы НСО₃^-, СО₃^2-, Са²⁺, в соленых и рас­сольных — Сl ^- и Na⁺; ионы SO₄^2- и Mg²⁺ занимают промежуточное положение.

В специфических типах подземных вод значения главных компо­нентов могут приобретать такие элементы, как Si, Fe, Al, F, и соединения азота NH₄⁺, NH₃, N0₂, NO₃^-.

Хлор-ион весьма широко распространен в подземных водах, и его содержание увеличивается с глубиной. Источниками поступления хлор-иона в подземные воды являются вулканические газы, древние морские бассейны, отложения эвапоритов, соль, рассеянная в других отложениях, атмосферные осадки, особенно вблизи морей и океанов, продукты жизнедеятельности животных и человека. Ионы хлора наиболее устойчивы в подземных водах, так как они слабо пол­ожены ионному обмену, адсорбции и воздействию биологического Фактора. У хлора практически отсутствует барьер растворимости. В основном этими особенностями хлор-иона обусловлено образо­вание подземных рассолов.

Повышенное содержание иона хлора в пресных водах свидетель­ствует об их загрязнении продуктами жизнедеятельности. Под­земные воды питьевого использования не должны содержать хлор-иона более 350 мг/дм³, и лишь в засушливых районах допускается использование вод с большим его содержанием.

Сульфат-ион является промежуточным компонентом подземных вод. Примерно до минерализации 3-4 г/дм³ его содержание в водах увеличивается, а затем резко уменьшается, и в крепких рассолах он практически отсутствует. Это связано главным образом с тем, что его содержание лимитируется присутствием иона Са²⁺, с которым сульфат-ион образует слаборастворимую соль CaSО₄. Источником SO₄^2- в водах являются породы (гипс, ангидрит), некоторые сер­нистые соединения (газы) и сульфидные минералы.

В анаэробных условиях (без доступа кислорода) сульфат-ион час­тично восстанавливается до сероводорода, чему в подземных условиях способствуют сульфатредуцирующие микроорганизмы и скопления органических соединений (например, нефтяных угле-водородов).

Гидрокарбонатный и карбонатный ионы распространены преиму­щественно в пресных подземных водах, и содержание их невелико (обычно не более 300-400 мг/дм³). В водах всегда преобладает гидро­карбонат-ион, а карбонат-ион содержится в небольших количествах или совершенно отсутствует. Поступление рассматриваемых ионов в подземные воды в основном связано с растворением карбонатных пород (известняков, доломитов, мергелей) в присутствии углекис­лоты СО₂. Растворение и выпадение в осадок карбонатов играют важную роль при использовании подземных вод в технических целях. Процесс растворения приводит к разрушению строительных мате­риалов (бетона, железобетона), а процесс выпадения солей в осадок — к накипи в паровых котлах, трубах и т.п.

Ион натрия является широко распространенным элементом в земной коре и образует большое число соединений. Источником его поступления в подземные воды могут быть различные породы и минералы — силикаты, каменная соль; ион натрия может вытес­няться из поглощенного комплекса глинистых пород другими ка­тионами; в большом количестве натрий содержится в морских водах.

Натрий характерен для наименее и наиболее минерализованных вод. Однако в очень крепких рассолах натрий уступает первое место кальцию (хлоридно-кальциевые рассолы) вследствие того, что рас­творимость хлоридов натрия равна 350 г/дм³, а хлоридов кальция — 745 г/дм³. Подобно хлору, натрий не задерживается живыми организ­мами. В силу данных особенностей поведения натрий обладает сво­бодной миграцией в широком диапазоне концентраций природных растворов.

Ион калия в отличие от иона натрия в природных водах (в част­ности, в подземных водах) распространен слабо, хотя имеет с последним одинаковый кларк (2,5%). Это объясняется тем, что калий участвует в образовании нерастворимых в воде вторичных минералов и, что особенно важно, легко усваивается живым веществом. Он влияет на фотосинтез, обменные процессы, концентрируется в листьях растений, входит в состав крови, молока и т.д. Калий легко переходит в адсорбированное состояние, входит в состав кристалли­ческой решетки глинистых минералов. В подземные воды калий по­падает в результате выветривания изверженных горных пород и при растворении калийных солей эвапоритовых отложений, образую­щихся в замкнутых и полузамкнутых бассейнах аридных областей из перенасыщенных растворов.

Ион магния встречается в подземных водах в сравнительно не­больших количествах и редко является преобладающим катионом. Магний участвует в формировании вторичных минералов (силикатов магния, доломитов и др.), он легко усваивается растительными ор­ганизмами, участвует в фотосинтезе, обменных процессах и т.п., обладает высокой адсорбционной способностью.

Основным источником поступления магния в подземные воды является морская вода (седиментационные воды). Кроме того, он может поступать из атмосферы с осадками, в результате разло­жения минералов, содержащих магний, при выщелачивании доло­митов.

Ион кальция встречается в водах различной минерализации, при этом в пресных водах и солоноватых водах он зафиксирован в соеди­нении с гидрокарбонатным и сульфатным ионами, а в высококон­центрированных рассолах — с хлор-ионом. Кальций — главный эле­мент живого вещества, входит в состав тканей растений, участвует в строении скелета животных и человека и в обменных процессах организма. Кальций, таким образом, является весьма слабым миг­рантом в гидрокарбонатных и сульфатных водах небольшой мине­рализации и, наоборот, из глубинных хлоридных рассолов практи­чески в связанное состояние не переходит, обусловливая высокую минерализацию последних.