1.3. Современные методы изучения состава подземных вод

Основные проблемы, стоящие перед контрольно-аналитической службой и специалистами-гидрогеохимиками: получение бессрочных анализов; исследование подвижных (миграционных) форм компонентов состава; проведение аналитического контроля в мониторинговом режиме.

Достоверность гидрогеохимических исследований зависит от применяемых методов анализа химического состава подземных вод. Сложность исследования такой многокомпонентой среды заключается в том, что достоверность результатов химического анализа подземных вод изменяется в зависимости от их химического состава, концентрации и состояний в них элементов. Для проведения полноценных гидрогеохимических исследований важно правильно применять химико-аналитические методы, знать их возможности и недостатки.

Для современного развития химико-аналитических исследований характерны следующие тенденции: увеличение числа определяемых компонентов, особенно находящихся в водах в микроколичествах, увеличение предела обнаружения (повышение чувствительности определения), усовершенствование и создание новых экспрессных высокочувствительных инструментальных методов с автоматической регистрацией и обработкой результатов, создание новых методов определения органических веществ, газов, изотопов в подземных водах.

Основная трудность приложения многих аналитических методов к анализу микроэлементов заключается в многообразии их миграционных форм. При гидрогеохимических исследованиях необходимо выбрать среди множества методов такие, которые позволяют получить при определенном химическом составе максимальную и точную информацию, необходимую для данного вида и данной стадии исследований. В противном случае можно получить либо искаженные данные о содержаниях элементов, либо правильные и точные данные, но при больших экономических затратах, которые не соответствуют ни виду, ни задачам стадии исследований.

Какие же методы использует гидрогеохимия? Их можно подразделить на методы получения исходной информации и методы её обработки. Исходной информацией для гидрогеохимика служат, главным образом, данные о вещественном составе воды: т.е. о наборе и концентрации в ней химических элементов, а точнее, ионов, газов, органических веществ и изотопов. Для получения такой информации кроме стандартного химического анализа служат инструментальные методы: эмиссионный спектральный, пламенно–фотометрический, атомно–абсорбционный, нейтронно–активационный, хроматографический, масс–спектрометрический. Для изучения структуры самой воды, то есть самого растворителя, служат методы ядерно–магнитного резонанса и инфракрасной спектроскопии. К методам получения первичной гидрогеохимической информации можно также отнести ряд манипуляций с горными породами и минералами, направленных на извлечение сведений о том, какая подземная вода насыщала породы в прошлые геологические эпохи. Это водные вытяжки из пород, отпрессовывание из них так называемых поровых растворов, а также ультрамикрохимический анализ жидких и газово–жидких включений в минералах.

К методам обработки исходной информации относятся вычисление генетических коэффициентов пропорциональности между компонентами состава, методы математической статистики, термодинамические расчёты, построение гидрогеохимических карт, схем, разрезов, блок–диаграмм и т.д. Методологической основой гидрогеохимии, как и других геологических наук, является комплексный сравнительно–исторический подход, или метод.

История развития. Истоки гидрогеохимии через химию и геологию уходят в глубокую древность к работам Аристотеля и Плиния Старшего, которые уже тогда пытались разгадать причины разнообразия природных вод, в частности в связи с широким использованием термальных вод. Отдельные важные положения, которые в будущем легли в основу гидрогеохимии, можно найти в работах А. Аль–Бируни, Г. Агриколы, Р. Бойля, М.В. Ломоносова, А. Лавуазье, Ж. Ламарка, В.М. Севергина, Ж. Эли де Бомона, Э. Зюсса, Д.И. Менделеева, Ф. Кларка. Однако наибольший вклад в становление гидрогеохимии внёс В.И. Вернадский. В 1933–1936 гг. им был создан фундаментальный труд “История природных вод”, который является непревзойдённым по глубине и размаху обобщением. В этой работе не только обобщён с геохимических позиций накопленный к тому времени материал, заложивший основы гидрогеохимии, но и вскрыто совершенно особое положение природных вод в геологической истории Земли, возникновении и развитии жизни.

Выдающуюся роль в развитии гидрогеохимии сыграли такие исследователи как Н.К. Игнатович, Г.Н. Каменский, А.М. Овчинников, Е.В. Посохов, М.Е. Альтовский, М.Г. Ва­ляшко, С.Р. Крайнов, В.М. Швец, С.Л. Шварцев, Е.В. Пиннекер, Л.Н. Капченко, В.И. Кононов, А.В. Щербаков, И.К. Зайцев, Е.А. Басков, С.И. Смирнов и др.

В развитии гидрогеохимии на обозримом отрезке истории можно условно выделить два последовательных этапа. Первый — до середины 60–х годов прошлого столетия, характеризуется накоплением огромного объёма эмпирических данных об изменениях химического состава подземных вод в различных геологических ситуациях. Причиной этого информационного взрыва послужило широкое развитие глубокого бурения (новые данные о составе глубокозалегающих подземных вод. Были разработаны основы региональной гидрогеохимии, сформулированы принципы геохимической зональности подземных вод, получены новые сведения о распространении в подземных водах большого числа (~80) химических элементов, органических веществ, микрофлоры и газовом составе.

Второй этап (с начала 60–х годов прошлого столетия ) характеризуется активным использованием теории и методов точных наук химической термодинамики и физико-химической гидродинамики для интерпретации и прогноза гидрогеохимических явлений. Таким образом, на смену эмпирического качественного подхода к гидрогеохимическому анализу приходит количественный подход, основанный на важнейшем методологическом положении о характере связи физических, химических и геологических процессов при формировании химического состава подземных вод. Оно формулируется следующим образом: в гидрогеохимии все процессы определяются количественными законами точных фундаментальных наук (физики и химии), а внешняя геологическая среда определяет граничные условия осуществления и протекания этих процессов. На основе этого положения сформировалось новое направление современной гидрогеохимии, заключающееся в генетическом анализе влияния различных граничных условий на результативность геохимических процессов, формирующих химический состав подземных вод. Это положение открыло в гидрогеохимии широчайшие возможности для использования количественных методов познания гидрогеохимических явлений, основанных на методах точных наук, особенно химической термодинамики и физико-химической гидродинамики. На этой основе сформировалось новое направление современной геохимии подземных вод, заключающееся в генетическом анализе влияния различных граничных условий на результативность геохимических процессов, составляющих основу формирования химического состава подземных вод.

В значительной степени количественное изучение геохимических процессов формирования химического состава подземных вод связано с необходимостью решать экологические проблемы, которые в большинстве стран в настоящее время приобрели жизненно важное значение. В своей сущности гидрогеохимия является научной основой решения экологических проблем, поскольку одна из основных задач современных экологических исследований – сохранение подземных вод с оптимальным для их использования химическим составом.

Задача таких гидрогеохимико-экологических исследований сейчас заключается не только в констатации определенного химического состава среды, но и в прогнозе его техногенных изменений и, что особенно важно, в управлении его качеством. В настоящее время в геохимии подземных вод созданы количественные модели формирования химического состава подземных вод в различных естественных и техногенных ситуациях, а реализация этих моделей на основе компьютерных технологий позволяет решать самые различные прогнозные и управляющие задачи.

Будущее в геохимии подземных вод принадлежит специалистам, умеющим сочетать познания в области классической геологии и гидрогеологии с умением использовать методы точных наук и ЭВМ в качестве инструмента для углубленного и объективного изучения гидрогеохимических явлений.

В отличие от чисто теоретических наук геохимия природных вод тесно связана с решением многих прикладных и экологических проблем. Поэтому в ней большое значение имеет эффект обратной связи, когда главным критерием достоверности и совершенствования модельных физико-химических представлений является гидрогеологическая и гидрогеохимическая реальность и практика.

Развитие гидрогеохимической науки в Беларуси началось после Великой Отечественной войны. У истоков гидрогеохимии в Беларуси стояли М.А. Гатальский, Г.В. Богомолов, К.И. Лукашёв, М.Ф. Козлов, А.П. Лавров, А.Я. Стефаненко. В настоящее время гидрогеохимические исследования в республике в Белорусском научно–исследовательском геологоразведочном институте, других подразделениях ПО “Белгеология”, в ПО “Беларусьнефть”, Гомельском госуниверситете. Большой вклад в развитие гидрогеохимии в нашей республике внесли и вносят А.В. Кудельский, В.М. Шиманович, В.И. Пашкевич, П.Г. Альтшулер, Л.И. Шаповал, В.Д. Порошин, В.Г. Жогло, Г.А. Сербин и ряд других исследователей.

Очень активно развиваются гидрогеохимические исследования за рубежом. В связи с возрастающим значением качества подземных вод и решением экологических проблем, в развитых странах за последние 20-30 лет приоритет отдавался изучению формирования химического состава, особенно в условиях техногенеза. Изучение геохимических процессов за рубежом всегда сопровождалось постоянной работой по получению количественных параметров, характеризующих эти процессы и позволяющих рассчитывать их Среди зарубежных исследователей Гаррелс, Дривер, Хелгесон, Пачес, Трасделл, Хем, Бернер, Пламмер, которые заложили базу количественного познания процессов, составляющих основу гидрогеохимических явлений.

ПОНЯТИЕ О ПОДЗЕМНОЙ ГИДРОСФЕРЕ. ВОДА — ОСНОВА ПРИРОДНЫХ РАСТВОРОВ. Подземные воды – сложные водные растворы. [Структура воды и природных растворов, физико–химические аномалии воды. Влияние температуры, давления, электромагнитных полей и химических компонентов на структуру воды. Изотопный состав природных вод.]

Характеризуя подземную воду как минерал, В.И.Вернадский отмечал ее вездесущесть в верхних оболочках нашей планеты и особое положение в истории Земли. В земной коре практически отсутствуют минералы и породы, в том числе залежи полезных ископаемых, формирование которых происходило без участия воды. Геологи в своей повседневной работе постоянно сталкиваются с многочисленными фактами огромной созидающей и разрушающей деятельности воды. Неправильная трактовка этих фактов, упрощенченский подход к геологическим явлениям, незнание специфических гидрохимических закономерностей зачастую приводит к снижению эффективности научных исследований и геологоразведочных работ. В настоящее время многим исследователям в большей или меньшей степени ясна существенная роль подземных вод в литогенезе и формировании (а также разрушении) залежей отдельных видов полезных ископаемых (солей, руд, нефти и газа).

В.И.Вернадский сформулировал понятие о единстве природных вод. Он же неоднократно подчеркивал единство природных вод, минералов и пород земной коры. По своей структуре и особым свойствам вода служит связующим звеном, объединяющим все геологические тела в единую пространственно-временную систему.

Одна из особенностей современного этапа развития геологической науки состоит в расширении, углублении и конкретизации идеи о единстве воды и пород. Все яснее становится, что вода является не только определяющим агентом всех геохимических процессов, но вместе с другими флюидами и мощным фактором тектонической деятельности. Успешное развитие геологической науки ныне немыслимо без дальнейшего раскрытия всего многообразия процессов и явлений, совершающихся в единой системе вода – порода.

Вполне понятно, что многие исследователи, изучающие закономерности формирования полезных ископаемых и, казалось бы, весьма далекие от гидрогеологии, все чаще становятся на путь углубленно изучения роли воды в литогенезе. Вопросам формирования и геологической роли подземных вод, теории формирования месторождений полезных ископаемых посвящены исследования многих ученых.

Вода – одно из самых удивительных соединений на земле и давно уже поражает исследователей необычностью многих своих физических свойств

Привести таблицу (см. презентацию)

Аномальные свойства воды вместе взятые свидетельствуют о необычно высокой ее устойчивости к воздействию внешних факторов, вызванной наличием дополнительных сил между молекулами, получивших название водородных связей. Суть водородной связи сводится к тому, что ион водорода, связанный с каким-то ионом другого элемента, способен электростатически притягивать к себе ион того же элемента из другой молекулы. Благодаря наличию в воде водородных связей в расположении ее молекул отмечается высокая степень упорядоченности, что сближает ее с твердым телом. Вследствие таких связей в ее структуре возникают многочисленные пустоты, делающие ее очень рыхлой. Этим и объясняется несоразмерно высокая температура плавления воды, так как для разрыва водородных связей необходима значительно большая энергия, чем в случае действия лишь одних вандерваальсовских сил. Следовательно, наличие аномалий в физических свойствах воды объясняется наличием водородных связей, природа которых в настоящее время изучена очень хорошо.

Изменение структурных особенностей воды под действием разнообразных внешних факторов имеет большое геологическое значение, оно может помочь в решении ряда важных проблем гидрогеохимии. Видимо с изменением структурных особенностей воды связан так называемый эффект активирования, т.е. вода и водные растворы после прогрева при высоких температурах и давлениях в течение некоторого времени находятся в метастабильном состоянии. Метастабильная вода характеризуется повышенной растворяющей способностью по отношению к карбонатам, сульфатам, окислам и силикатам. Она имеет пониженные значения рН и длительное время удерживает в своем составе аномальные количества растворенного вещества. Так, вода активированная при температуре выше 200°С, повышает свою растворяющую способность по отношению к кальциту в несколько раз. Способность воды сохранять свое структурное состояние в течение некоторого времени после изменения внешних условий М. Блох называет структурной памятью.