Процессы в системе «подземная вода»

Кристаллизация — это выделение в твёрдую фазу компонентов из подземных вод. Кристаллизации солей из подземных вод благоприятствует изменение геохимической обстановки, за счёт чего произведение активностей ионов достигает произведения растворимости данной соли (см. выше). К таким изменениям относятся смешение вод, их концентрирование, выделение газов, нарушение кислотно–щелочного и окислительно–восстановительного равновесия, изменения температуры и давления и др. В результате кристаллизации солей в порах, кавернах и трещинах пород водоносного комплекса происходит гидрогенное, или вторичное минералообразование; при этом существенно меняется состав и минерализация подземных вод. Наиболее ярким примером процесса, выводящего вещество из раствора, является галогенез — последовательное выпадение на дно бассейна из испаряющейся морской воды карбонатных, сульфатных и хлоридных минералов. Этот процесс протекает не в среде подземным вод, а на поверхности земли, однако, как мы уже отмечали, имеет чрезвычайно большое значение для формирования подземной гидросферы, так как образующиеся таким образом рассолы впоследствии захороняются. Вместе с тем, довольно широкие масштабы процесс кристаллизации минералов имеет и в подземной гидросфере. Так, например, в девонских породах Беларуси установлены и изучены вторичные (так называемые катагенетические) кальцит, доломит, кварц, гипс, ангидрит, галит, которые образовались непосредственно из подземных растворов. Интересно, что провоцировать это вторичное минералообразование могут различные процессы. Например, к кристаллизации галита приводит падение пластового давления в зонах тектонических разломов, снижение пластовых температур, смешение подземных рассолов разного состава.

На процесс кристаллизации оказывают влияние внутренние (химические свойства соединений) и внешние (природные) факторы.

К внутренним относятся – растворимость, способность к комплексообразованию, энергия гидратации.

К внешним (природным) факторам относятся термодинамические (температура и давление).

Изменения пластовых давлений и температуры влияют на растворимость соединений. Большое влиянием оказывает вымораживание. Нередко в результате промораживания пресные воды в районах развития вечной мерзлоты обогащены хлоридами. Процесс кристаллизации приводит к уменьшению концентрации в воде компонентов, выпадающих из раствора, к изменению фильтрационных свойств пород-коллекторов, к изменению и прочностных свойств пород. Если фильтрационные свойства уменьшаются, то прочностные – увеличиваются.

Степень насыщения подземных вод устанавливается сравнением произведений активных концентраций ионов с произведением растворимости соединений, соответствующих этим ионам.

Если произведение активных концентраций ионов в воде превышает произведение растворимости соответствующих соединений, то подземная вода пересыщена этими соединениями, если меньше – вода не насыщена данными соединениями.

Расчет насыщенности подземных вод рекомендуется проводить по следующей схеме:

1. перевод концентрации компонентов в моляльную форму

Если в этот момент измерить концентрации Са²⁺ и SO₄^2– в растворе, выразить их, как принято в термодинамике, в молях на литр (т.е. разделить концентрацию в г/л на атомную или ионную массу)

2 нахождение ионной силы раствора

Ионная сила — это параметр, который сильно связан с минерализацией раствора, но в отличие от неё позволяющий учесть электростатическое взаимодействие разноимённых ионов в растворе. Она определяется по следующей формуле:

,

где: m_i — моляльность, z_i — заряд иона i в данном растворе,

3. нахождение величины коэффициентов активности ионов как функции ионной силы (по таблицам)

Поэтому для реальных растворов вместо концентрации компонентов используется величина активности, которая является эффективной концентрацией или количеством вещества, реально участвующим в данной реакции, и которая представляет собой произведение концентрации иона (m) на его коэффициент активности (γ). Например, или (В том “идеальном” растворе, который мы обсуждали при определении понятия ПР, активность компонентов равна их концентрации).

4. расчет величины произведения растворимости

5. определение степени насыщения подземной воды сульфатом кальция

Оценка степени равновесности реального раствора с данным минералом, или, что то же, степень насыщенности раствора по отношению к данному минералу. Обозначим её буквой А.

Степень насыщенности (А) равна логарифму отношения произведения активностей (ПА) к произведению растворимости (ПР):

.

Если величина А равна нулю, раствор находится в равновесии с минералом и не может ни растворять, ни осаждать его. Если А < 0, раствор не насыщен по данному минералу и может растворять его. Если А > 0, раствор перенасыщен по данному минералу и может осаждать его. Перенасыщенность раствора означает, что при прохождении раствором равновесного состояния кристаллизация вещества не началась в силу каких–то причин (например, из–за отсутствия центров кристаллизации).

Смешение – процесс взаимодействия двух (или более) объемов подземной воды с различной минерализацией и компонентным составом. Причиной смешения в природе является перетекание П.В. из одного водоносного комплекса в другой. Перетеканию подвержены напорные воды нижележащих водоносных комплексов. Перетекание осуществляется снизу вверх и широко распространено на участках тектонических нарушений и гидравлической связи между водоносными комплексами. Смешение при вертикальном перетекании из зоны затрудненного водообмена в зону интенсивного водообмена приводит к появлению в пределах последней на фоне пресных вод минерализованных; смешение в пределах зоны затрудненного водообмена не вызывает существенного изменения в составе вод.

При смешении происходит высаливание. Вспомните, мы об этом процессе фактически говорили ранее при разговоре о механизме диффузии.

Итогом конвективной диффузии является смешение вод различного состава и разной минерализации, важный процесс формирования состава вод. Как показал А.Н. Огильви при смешении пресной и минерализованной вод получается серия промежуточных по составу вод. Процесс смешения изменяет состав воды и может провоцировать как усиление растворения вмещающих пород, так и его ослабление вплоть до выпадения соединений из растворов. С этим процессом нередко связана вторичная известковистость, загипсованность и засолённость пород водоносного горизонта.

Сa²⁺ 2Cl^- + 2 Na⁺ 2HCO₃- → 2Na⁺ 2Cl^- + CaCO₃↓ + H₂O + CO₂↑

Сa²⁺ 2Cl^- + 2 Na⁺ SO₄^2- +2H₂O →2Na⁺ 2Cl^- + CaSO₄↓ + 2H₂O

Концентрирование, т.е. накопление в П,В. компонентов хорошо растворимых соединений. Механизм концентрирования в подземных водах различен. Выделяются:

–процессы концентрирования под влиянием подземного испарения

–процессы концентрирования в результате фильтрации через породы слабой проводимости

–процессы концентрирования под влиянием земных сил.

Подземное испарение затрагивает в основном воды глубоких частей артезианских бассейнов и воды верхней части земной коры в аридных областях и в результате воздействия высоких температур. Для вод глубоких частей артезианских бассейнов характерно испарение внутрипластовое, а для вод верхней части земной коры в аридных областях – добавляется и испарение с поверхности. При этом обычно повышается концентрация хлорида натрия.

В результате фильтрации через породы слабой проводимости добавляется фильтрационный эффект (эффект Д.С.Коржинского). При этом при фильтрации через слабопроводимые породы растворитель и растворенное вещество движутся с разными скоростями. Растет концентрация на участках менее проницаемых пород. При повышении температуры этот эффект понижается, а при повышении давления – усиливается. Обычно этот эффект характерен для глинистых пород.

В процессе концентрирования возрастает влияние гравитационного, магнитного и электрического полей. Так, под влиянием гравитационного поля накапливается хлор, как элемент с меньшим ионным радиусом и большей скоростью вертикального движения.

Рассеяние – представлено процессом осмоса, явления развивающегося в случае соприкосновения двух растворов с разной концентрацией, отделенных слабопроницаемыми породами. При осмотических процессах растворитель диффундирует в направлении выравнивания концентраций взаимодействующих растворов. Скорость осмотического процесса определяется величиной концентрационного градиента.

Процессы биогеохимические

Происходят при участии органических веществ и бактерий. Органическими веществами наиболее богаты глинистые породы. В разных условиях различные микроорганизмы способствуют протеканию физико-химических процессов, таких как сульфатизация и десульфатизация, нитрификация и денитрификация, биогенное формирование углекислого газа.

В ходе сульфатизации осуществляется окисление элементраной серы и восстановленных ее форм до сульфат-иона с участием тионовых и некоторых других бактерий:

2H₂O + 2S +3O₂ → 2H₂SO₄

2H₂S + O₂→ 2H₂O + S₂

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

Процесс сульфат-редукции – восстановление сульфатов анаэробными бактериями. Обычно это происходит в глубоких слабоподвижных минерализованных водах с восстановительной обстановкой.

SO₄^-2 + 2C +2H₂O → H₂S + 2HCO₃ → H₂S + H₂ +CO₂

Иногда происходит водородная сульфат-редукция.

SO₄^-2 + 4H (газ) = S^2- + 4H₂O

Биохимическим путем продуцируется аммиак с участием бактерий-аммонификаторов за счет разложения органических веществ, содержащих белок

RCHNH₂COOH +2H₂O = RCOOHCOOH +2 NH₄

В окислительных условиях бактерии-нитрификаторы окисляют аммиак до нитритов и нитратов:

NH₄ + 2 O₂ →NO₂^- + 2H₂O

NO₂^- + O₂→NO₃^-

Устойчивой является нитратная форма.

В восстановительной обстановке бактерии-денитрификаторы разлагают нитриты и нитраты до свободного азота

2HNO₃ → 2HNO₂→ 2HNO → N₂

Восстановление нитратов в присутствии органических веществ происходит по схеме:

2NO₃^- + 3C → N₂ +3CO₂

4NO₃^- + 5C → N₂ +3CO₃^-2 +3º₂

ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ЗОНАЛЬНОСТЬ ПОДЗЕМНЫХ ВОД [Понятие, история вопроса, современные представления. Горизонтальная и вертикальная зональность. Зональность химического состава грунтовых вод. Зональность химического состава пластовых вод платформенных областей]

Всюду в природе мы встречаемся с явлениями зональности. Широко известна климатическая зональность, зональность растительности и т.д. Зональные явления широко распространены и в гидрогеологии. Для научного объяснения явлений зональности и распространения подземных вод чрезвычайно важен открытый В.В.Докучаевым закон естественно-исторической зональности в природе.

Учение о гидрогеохимической зональности является фундаментальным достижением гидрогеологии. Известны разные виды зональности: по площади и глубине, для грунтовых вод и глубоких напорных вод, для общего химического состава вод, для газов, органических веществ, микрокомпонентов, микрофлоры и т.д. Гидрогеохимическая зональность наиболее изучена на примере грунтовых вод, а также глубоких подземных вод в пределах платформ. В пределах горно-складчатых областей, характеризующихся широким развитием трещинно-жильных водонапорных систем, гидрогеохимическая зональность изучена гораздо меньше.