Процессы в системе «подземная вода–порода–газ»

Итак, в 1 группе главным является процесс выщелачивания. Необратимый процесс с участием газов. Выщелачивание – процесс концентрационный и протекает до выравнивания концентраций в подземной воде и породе. Теперь определим понятие “выщелачивание”. Выщелачивание (экстракция) — это селективное растворение минерала или породы. В том случае, если селективно растворяется минерал, процесс выщелачивания идентичен процессу инконгруэнтного растворения. Действительно, в рассмотренном случае растворения полевого шпата алюминий не переходит в раствор, то есть полевой шпат растворяется селективно, Более часто, однако, термин “'выщелачивание” применяется для обозначения вымывания из породы каких–либо легкорастворимых минералов. Например, песчаник с галитовым цементом при взаимодействии с водой может превратиться в песок после растворения галита (NaCl).

В отличие от выщелачивания растворение – процесс перехода вещества из твердой или газообразной фазы в жидкую, сопровождаемый разрушением кристаллической структуры твердого вещества.

Ход процессов растворения и выщелачивания зависит от растворимости пород и минералов, состава и минерализации подземных вод, скорости фильтрации, температуры, давления и других причин. И растворение, и выщелачивание наиболее активно протекают в подвижной среде, так как в этом случае легко отводятся продукты растворения и может обеспечиваться ненасыщенность воды по отношению к соответствующим соединениям, необходимая для течения процесса.

Активными стимуляторами процессов выщелачивания и растворения являются кислород и углекислота, содержащиеся в подземных водах. Отсюда понятна роль газового состава вод в процессах растворения и выщелачивания. Кислород и углекислый газ способствуют предварительному разложению минералов, трудно доступных простому выщелачиванию. Кислород, растворённый в подземных водах, вызывает, например, окисление сульфидных минералов, в результате чего в подземных водах образуется серная кислота, которая вызывает сернокислотное выщелачивание вмещающих пород с образованием сульфатных кальциевых вод с высоким содержанием металлов (железо, медь, свинец и др.), повышенной минерализацией (3 г/л и более) и низким рН.

Углекислота активизирует переход в раствор вещества алюмосиликатов, например, по рассмотренной выше реакции гидролиза (выщелачивания) полевого шпата. В этом случае говорят об углекислотном выщелачивании. Процессом углекислотного выщелачивания полевых шпатов объясняется формирование гидрокарбонатных вод в терригенных отложениях. Здесь при взаимодействии с водой полевых шпатов образуются, как мы уже отмечали, ионы ОН^–, которые, соединяясь с СО₂, дают ион гидрокарбоната НСО₃^–.

CaCO₃ + H₂O + CO₂ → Ca(HCO₃)₂ →Ca +2HCO₃^-

CaMgCO₃ + H₂O + CO₂→ CaMg(HCO₃)₂

В зависимости от литологического состава породы – собственно углекислотное выщелачивание и гидролитическое углекислотное. Условия насыщения подземной воды по конкретному компоненту близки к равновесным условиям и фиксируются по выпадению из вод карбонатов или сульфата кальция.

В зоне интенсивного водообмена воды, насыщенные по карбонату кальция и магния, имеют мин-цию 0,5-0,8 г/л, и приурочены к периферийным областям фильтрационного потока в пределах склоновых частей водоразделов, мин-ция вод, насыщенных по сульфату кальция, около 2г/л, они также приурочены к периферийным областям транзита в пределах склонов водоразделов и к областям дренирования в долинах рек и в озерных котловинах. Собственно углекислотному выщелачиванию подвергаются карбонатные породы, гидролитическому – алюмосиликатные терригенные породы. Приуроченность углекислотного выщелачивания к карбонатным и терригенным породам определяет не повсеместное, а выборочное распространение этого процесса в земной коре. В результате этого процесса формируются преимущественно пресные, до 1г/л воды, распространенные в зоне интенсивного водообмена.

Собственно углекислотное выщелачивание протекает по схеме

CaCO₃ + H₂O + CO₂ → Ca(HCO₃)₂ →Ca +2HCO₃^{- в} случае известняка

CaMgCO₃ + H₂O + CO₂→ CaMg(HCO₃)₂ в случае доломита

Углекислый газ повышает растворимость карбонатов. Если в отсутствии у. газа растворимость кальцита 13 мг/л, то в его присутствии может возрастать до 1,0 г/л и более.

При углекислотном выщелачивании силиката вначале формируется карбонат кальция, который в дальнейшем переходит в раствор с бикарбонатом.

Гидролиз – взаимодействие Н и ОН воды с компонентами силикатных и алюмосиликатных пород. При этом изменяется рН подземной воды. При гидролизе анионов рН воды повышается, при гидролизе катионов понижается.

Характерной особенностью этого процесса является образование на поверхности породы пленки из труднорастворяющихся соединений.

Гидрокарбонат-ион формируется за счет пород и углекислого газа, катионы – полностью за счет пород.

Гидролитическое углекислотное выщелачивание протекает по схеме

NaAlSi₃O₈ + H₂O + CO₂ → HAlSi₃O₈ + Na⁺ +HCO₃^-

Ион водорода обменивается на ион натрия породы. Ионы водорода образуются в небольшом количестве при диссоциации воды.

H₂O→H⁺ + OH^-

Она возрастает в присутствии углекислого газа.

H₂O+ CO₂ →H₂CO₃ →H⁺ + HCO₃ (NaAlSi₃O₈ + H₂O + CO₂ → NaAlSi₃O₈ + H₂CO₃ → NaAlSi₃O₈ + H⁺ + HCO₃→ HAlSi₃O₈ + Na⁺ +HCO₃^-

При этом концентрация водорода увеличивается, что обеспечивает значительную интенсивность гидролитического углекислотного выщелачивания. В ходе данного процесса источником гидрокарбоната в подземной воде является углекислый газ и гидроксил-ион воды; источником катионов – порода. В зависимости от минералогического состава породы в воде формируется натрий (натриевые алюмосиликаты) или кальций (кальциевые алюмосиликаты). Минерализация гидрокарбонатных кальциевых вод обычно около 0,5 г/л или несколько больше; гидрокарбонатных натриевых может быть больше, что определяется значительной растворимостью карбоната натрия.

Обмен водорода на катионы алюмосиликатной породы при углекислотном выщелачивании отличается от сорбционного обмена, так как в этом случае обменивающийся катион присутствует в кристаллической решетке минерала; в случае же сорбционного обмена обменивающиеся компоненты присутствуют в поглощенном комплексе на рыхлой поверхности породы.

Гидролитическое углекислотное выщелачивание развито преимущественно в зоне интенсивного водообмена. Углекислый газ главным образом биогенного происхождения, при распространении процесса в платформенных областях, и магматогенного – при распространении процесса в горно-складчатых областях.

Окисление – это реакции соединения какого-либо компонента с кислородом. Окислению подвергаются породы, обогащенные в той или иной степени сульфидами металлов или серой и представленные песчано-глинистыми разностями терригенных осадочных пород и изверженными породами. В результате воздействия подземной воды на породы, обогащенные сульфидными минералами, происходит окисление сульфидов в сульфаты. При этом в воде формируется сульфат-ион и понижается рН. Иногда эти процессы сопровождаются образованием свободной серной кислоты.

FeS₂ + H₂O +3,5 O₂ → FeSO₄ +2H⁺ +SO₄^-

2S + 2H₂O + 3 O₂→ 2H₂SO₄^-

Возникают так называемые рудничные воды. Макрокомпонентный состав вод окисления может быть кальциевым и магниевым. Некоторые реакции окисления имеют биохимическую природу, часто под воздействием бактерий. В бактериологическом окислении сульфидов большую роль играют тионовые бактерии. Процесс окисления распространен в зоне интенсивного обмена до уровня кислородной поверхности.

Сернокислотное выщелачивание развивается при воздействии на породу раствора со значительным содержанием серной кислоты. Этому процессу подвергаются и изверженные и осадочные породы: