Процессы формирования химического состава

Формирование химического состава подземных вод — одна из сложнейших проблем гидрогеологии и гидрогеохимии. В каждом конкретном случае на формирование химического состава под­земных вод действует совокупность процессов и факторов, среди которых выделяются один или несколько доминирующих. При раз­решении проблемы важно выяснить источники поступления и характер перемещения элементов и соединений в подземной водной среде, т.е. их миграция.

Главными источниками растворенных веществ подземных вод служат:

• мантия— летучие компоненты магмы;
• литосфера — породы и минералы;
• гидросфера — океаны, моря, озера, реки;
• атмосфера — осадки;
• биосфера — остатки растительных и животных организмов.

Растворенные вещества и химические элементы подземных вод находятся в постоянном движении и изменении, что связано с их миграцией. Различают три основные формы миграции — истинно растворенная форма, коллоидная форма и форма миграции веществ в виде взвесей.

Весьма важным для понимания процесса миграции химических элементов и веществ явилось введенное А.И. Перельманом (1961) в геохимии и гидрогеохимии понятие о геохимических барьерах — участках земной коры, в пределах которых на коротком расстоянии резко сменяются условия миграции, что приводит к концентрации элементов или их рассеянию. Различают три основных типа барьеров — механические, биохимические и физико-химические. Геохимические барьеры играют большую роль в формировании химического состава подземных вод, влияя на концентрацию эле­ментов в водной среде, особенно при выпадении соединений из рас­твора, т.е. уходе из среды миграции. В то же время вода сама является геохимическим агентом рассеяния и перераспределения элементов в земной коре.

На миграцию элементов в подземных водах оказывают влияние разные процессы, протекающие в системе подземная вода — окружающая среда, что обусловливает в свою очередь разнообразие химического состава подземных вод. Среди множества процессов, формирующих определенный тип подземных вод, можно выделить растворение, выщелачивание, выпадение осадка, диффузию, ад­сорбцию, ионный обмен, фильтрационно-осмотический эффект, разбавление, концентрирование.

Растворение — процесс разрушения водой кристаллической ре­шетки минералов мономинеральных пород, например солей, чистых хемогенных известняков и др. При растворении минералы пол­ностью переходят в растворенное состояние.

Выщелачивание — более сложный, чем растворение, процесс пе­рехода в раствор части наиболее легко растворимых минералов при взаимодействии подземных вод с полиминеральными породами, которые в результате либо разлагаются до рыхлой стадии, либо сохраняют жесткий каркас с увеличением пористости и проница­емости.

Известно несколько видов выщелачивания, среди которых наи­более широко распространены: углекислотное (при наличии газа СО₂), выщелачивание растворами повышенной ионной силы, гид­ролиз, окисление.

Выпадение осадка — процессы выпадения механических взвесей из подземных вод при изменении скорости фильтрации и выделения из раствора труднорастворимых соединений (солей, оксидов) при достижении подземными водами степени насыщения компонен­тами, образующими такие соединения. Причиной выпадения осадка могут служить испарение подземных вод, смешение вод различного состава, изменение температурных и барических условий, насы­щение вод газами.

Диффузия — взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга вследствие теплового движения частиц, стремящихся к равновесному распределению в данном объеме. Различают два вида диффузии — молекулярную, которая преобладает в водоносных ком­плексах с малыми скоростями фильтрации и протекает как непосред­ственно в жидкой фазе, так и между жидкой и твердой фазами (в системе вода-порода), и конвективную, свойственную движу­щимся подземным водам (фильтрационный массоперенос) и проте­кающую одновременно с молекулярной диффузией.

Адсорбция — процесс поглощения из подземных вод ионов по­верхностным слоем пород. При физической адсорбции действуют силы межмолекулярного взаимодействия; при химической ад­сорбции взаимодействующие компоненты образуют химическое соединение. Адсорбирующие поверхности несут положительный или отрицательный заряд и притягивают противоположно заряженные ионы или частицы. Глинистые породы имеют, как правило, отрица­тельный заряд и адсорбируют из подземных вод катионную состав­ляющую. Интенсивность адсорбционного процесса зависит от заряда и радиусов ионов, а также от удельной поверхности породы (поверхности, приходящейся на весовую единицу адсорбента). Наибольшей удельной поверхностью обладают глинистые породы.

Ионный обмен — разновидность сорбционных процессов, заклю­чающийся в обмене между ионами раствора и поглощенного комплекса пород. В пределах водоносных комплексов ионный обмен происходит между катионами, так как они преобладают в погло­щенном комплексе, коллоидная часть которого состоит преимущест­венно из отрицательно заряженных частиц (SiО₂, Аl₂O₃), поглоща­ющих катионы. Ионный обмен протекает до установления равно­весия и является обратимым процессом. В результате ионного обмена подземные воды изменяют свой состав (метаморфизируются) при сохранении степени минерализации, так как катионы обмени­ваются в равных эквивалентных количествах.

Фильтрационно-осмотический (мембранный) эффект заключается в отстаивании растворимого от растворителя при прохождении через слабопроницаемую среду — мембрану, в качестве которой в толще горных пород выступают некоторые литологические их разности (глины, известняки, доломиты, ангидриты и др.). Это явление имеет частично электрическую природу (электрокинетический фильтра­ционный эффект). В зависимости от заряда фильтра происходит преимущественное отстаивание анионной или катионной части рас­твора. Фильтрация и осмос следует рассматривать как самостоя­тельные процессы, так как они обусловлены различными причи­нами: фильтрация происходит под действием градиента напоров, а осмотические явления (осмотическая фильтрация) обусловлены действием градиента концентраций. В гидрогеологии «мембранный» эффект, повидимому, связан больше с действием напорного гради­ента.

Мембранный эффект играет большую роль в формировании неф­тяных залежей в ловушках. При продавливании вод из пластов, обладающих большими напорами, в пласты с меньшим напором через разделяющие их слабопроницаемые разделы, происходит выделение водорастворенного органического вещества в свободную фазу. Это явление называют также «высаливание углеводородов». В результате «высаливания» подземные воды изменяют свой состав, освобождаясь от органической составляющей. В результате изменяются и такие параметры, как общая минерализация и химический тип вод.

Разбавление — процесс, приводящий к уменьшению общей мине­рализации подземных вод. Иногда он сопровождается изменением химического типа вод. Разбавление подземных вод отдельных водо­носных горизонтов или комплексов происходит при их смешении с атмосферными осадками (метеогенными водами), при смешении вод различных водоносных горизонтов, а в некоторых случаях при поступлении ювенильных, элизионных (отжатых) и возрожденных вод.