img-090539

158 Раздел 1. Теоретические основы гидрохимии

				Таблица 5.2
	К о эф ф и ц и ен ты , х а р ак тер н ы е д л я ген ети чески х ти п о в п одзем н ы х вод
		(по В. А . Сулину)
	Тип вод	rN a+	гЫ а*-гС Г	гСГ - r N a +
		гСГ	rSC>4	rM g2+
	С ульф атн о -н атриевы й	>1	<1	—
	Гидрокарбонатно -	>1	>1	—
	н атри евы и
	Х лори дн о -м агн иевы й	<1	—	<1
	Х лори дн о -кальц и евы й	<1	—	>1

Каждый тип по преобладающему аниону делится на группы (гидрокарбонатную, сульфатную, хлоридную), каждая группа по преобладающему катиону — на подгруппы (кальциевую, магние­ вую, натриевую). С учетом пальмеровских характеристик подгруп­ пы объединяются в классы (см. табл. 5.1).

В. А. Сулин выделяет три главные природные обстановки фор­ мирования химического состава подземных вод:

1) морская — воды хлоридного типа. Химический состав вод может быть как унаследованным, так и приобретенным вследствие выщелачивания компонентов из пород морского генезиса, содер­ жащих главным образом NaCl, MgCl2, MgS04, CaS04;

2) континентальная — воды сульфатно-натриевого и гидрокар- бонатно-натриевого (содового) типов;

3) глубинная — воды хлоридно-кальциевого типа, формирую­ щиеся из хлоридно-магниевых в условиях закрытых гидрогеоло­ гических структур путем протекания реакций катионного обмена.

К недостаткам классификации Сулина можно отнести, вопервых, то, что типы вод в большей степени связаны с природной обстановкой формирования того или иного химического состава, чем с историей образования компонентов в течение геологических периодов, во-вторых, невозможность определения типа вод в том случае, если коэффициенты равны единице; в-третьих, отсутствие типа кислых вод.

Классификация М . Г. Валяш ко (1955 г.) существование в при­

роде хлоридного, сульфатного и карбонатного гидрохимических типов объясняет закономерными изменениями растворимости со­ единений в сложных равновесных системах, образованных глав­ ными компонентами природных вод. Для выработки рациональной классификации М. Г. Валяшко выделил минимальное число главных компонентов в широком диапазоне значений минерализации природ­ ных вод и рассмотрел образуемые ими простейшие равновесные сис­

темы. К главным компонентам относятся НСО з (СОj; ), SO4', СГ из

Г лава 5. К лассиф икация состава природны х вод

159

анионов и Са2+, Mg2+, Na+ из катионов. Эти компоненты свойствен­ ны водам всех значений минерализации. Рассмотрение свойств сис­ темы, образованной этими шестью компонентами, также позволяет выделить более простые системы, в которых часть ионов играет подчиненную роль благодаря образованию малорастворимых со­ единений. В соответствии с этим М. Г. Валяшко выделяет основные химические типы воды.

Карбонатный тип воды. Солевой состав:

Na2C03, NaHC03, Na2S04, NaCl; MgC03, — — —; CaCO:i — — —.

Сульфатный тип воды. Солевой состав:

— — Na2S04, NaCl;

MgC03, Mg(HC03)2, MgS04, MgCl2;

CaC03, Ca(HC03)2, CaS04, — .

Вэтом типе вод выделяются два подтипа: сульфатно-натриевый

исульфатно-магниевый (хлоридно-магниевый).

Хлоридный тип воды. Солевой состав:

—— — NaCl;

—— — MgCl2; CaC03, Ca(HC03), CaS04, СаС12.

Карбонатный, сульфатный и хлоридный типы вод охватывают подавляющее большинство природных вод.

Тип кислы х вод характеризуется присутствием сильных кислот H2S04, НС1, HF, но эти воды устойчивы только в специфических областях активного вулканизма или в областях выветривания кол­ чеданных месторождений (шахтные воды). В табл. 5.3 приведены значения коэффициентов, которые используются для определения всех четырех типов вод.

Отличительным свойством выделенных типов вод является то, что переход состава воды из одного химического типа в другой не может быть осуществлен иначе, как путем взаимодействия с веще­ ством окружающей среды. Эти процессы получили название про­

цессов метаморфизации природных вод. Различают прямую и об­

ратную метаморфизацию (схема метаморфизации приводится по М. Г. Валяшко):

Карбонатный	——— ► Оульфатный	► Хлоридный
тип	тип	тип

1 6 0 Раздел 1. Теоретические основы гидрохимии

Таблица 5.3

К о эф ф и ц и ен ты , оп р ед ел яю щ и е п р и н ад л еж н о сть воды к одном у иэ осн овн ы х х и м и ч еск и х ти п ов вод

t r	эСО2' *эНС0:
	о	а
1	—
	эСа2+ +sMg2+
К арбон атн ы й	>	1
С ульф атн ы й	< 1
н атр и ев ы й подтип
м агн и ев ы и подтип	< 1
Х лори дн ы й	< 1
К и сл ы х вод	0

эСО2" +эНС0“ +эБ0 \

К 2 ~ " ......

эСа2+ +3Mg2+

>1

>1

<1

<1 £ 1

Карбон атны й

Сульф атн ы й

н атр и ев ы и подтип

магн и ев ы и подтип

Хлори дн ы й

К и сл ы х вод

кэСО2 +ЭНС0: *:>S0 4

3 -

эСа

>1

>1

>1

<1 £ 1

Окончание табл. 5.3

эСО2" +эНС0"

^4 -

эСа

> 1

£1

£1 < 1

0

П р и м е ч а н и е , э — количество вещества эквивалента того иона, который стоит справа

Метаморфизация в прямом направлении, указанном сплошной стрелкой, приводит к постепенной потере менее устойчивых в рас­ творе компонентов, воды карбонатного типа сменяются водами сульфатного и хлоридного типов. Метаморфизация в обратном на­ правлении (штриховые стрелки) приводит к смене вод хлоридного типа водами сульфатными и карбонатными. Развитию прямой метаморфизации способствует увеличение аридности климата, воз­ растание подвижности иона кальция, что приводит к росту общей минерализации воды и ее хлоридности. Процессу обратной метаморфизации помогает влажный климат, что вызывает рассоление водовмещающих пород, снижение степени минерализации и воз­ растание карбонатности воды.

Для кислого типа главным будет переход в один из первых трех типов вод (гораздо более устойчивых в поверхностной обстановке и в верхней части осадочной оболочки) и только в редких случаях и на ограниченных территориях — обратный переход одного из этих

Г лава 5. К лассиф икация состава природны х вод

161

типов вод в кислые воды. Такой путь трансформации показан на схеме пунктирными стрелками.

Важным достоинством данной классификации является то, что в ее основе заложен генетический подход, который нередко дает возможность, с одной стороны, по современному химическому об­ лику вод воссоздать их исходный состав, а с другой — предсказать вероятные изменения в химическом составе современных вод под действием процессов метаморфизации.

Недостатки классификации:

1 ) кислые воды плохо вписываются в рамки классификации, поскольку главными катионами в этих водах нередко бывают тя­ желые металлы, а кислотность обусловлена присутствием свобод­ ных минеральных (серной, соляной) и органических (фульвокислот, гуминовых и др.) кислот;

2) классификация не отражает количественное и качественное изменение в химическом составе пресных поверхностных вод суши.

В табл. 5.4 хорошо прослеживается сходство между классифи­ кациями Валяшко, Сулина и Алекина.

Таблица 5.4

С опоставлени е ти п ов вод по н аи б олее расп р о стр ан ен н ы м к л а с с и ф и к а ц и я м (по Е. В. П осохову)

М. Г. Валяшко

Карбон атны й

Сульф атн ы й подтип N a2S 0 4

подтип M gCl2 Х лори дн ы й Т и п к и сл ы х вод

Классификация
В. А. Сулина	0 . А. Алекина
Г идрокарбонатн о ­	Т ип п ервы й (I)
н атри евы й
С ульф ат но- н атри евы й	Т ип второй (II)
Х лори дн о -м агн иевы й	Тип трети й „ а ” (111а)
Х лори дн о -кальц и евы й	Т и п трети й „б” (III6)
О тсутствует	Т ип четверты й (IV)

Несмотря на некоторые недостатки, классификации М. Г. Ва­ ляшко и О. А. Алекина являются наиболее удачными из сущест­ вующих. Классификации М. Г. Валяшко, В. А. Сулина целесооб­ разно использовать для характеристики главным образом подзем­ ных вод (и некоторых поверхностных — морских, океанических, соленых озер), классификацию О. А. Алекина — для поверхност­ ных маломинерализованных вод суши.

5.2. Классификация по минерализации

Под минерализацией воды понимают количество растворенных в ней минеральных веществ. Выражают это количество в виде или общей минерализации, или сухого остатка, или плотности. Общая

162	Раздел 1. Теоретические основы гидрохимии

минерализация представляет собой сумму компонентов минераль­ ных веществ, найденную анализом; сухой остаток получают путем выпаривания определенного объема воды, высушивания и взвеши­ вания остатка. Общую минерализацию и сухой остаток выражают для пресных и солоноватых вод в миллиграммах или граммах на

1л, для рассолов — в граммах на 1 л или в граммах на 1 кг (%0).

Внастоящее время среди исследователей нет единого мнения по

вопросу о принципах подразделения природных вод по минерали­ зации. Граничные значения степени минерализации вод обосновы­ ваются либо с теоретических позиций, либо на основании регио­ нальных исследований, либо с учетом практического значения во­ ды. Общепринятым является только значение минерализации, ха­ рактеризующее границу пресных вод — 1 г/л; оно присутствует во всех классификациях. Разошлись мнения по вопросу об одном из весьма важных рубежей — между рассолами и солеными водами: В. И. Вернадский считал таковым 50 %о, М. Г. Валяшко, И. Е. Зай­ цев — 35 %о.

Обоснованным представляется принцип классификации при­ родных вод по минерализации путем установления условных зна­ чений минерализации — „узлов”, которые определяют по миграци­ онным кривым, отражающим связь содержания главных ионов хи­ мического состава воды с минерализацией. На пересечении кривых (то есть в узлах) химический состав „перестраивается” по преобла­ дающим главным компонентам. По данным М. Г. Валяшко, при граничном значении 1000 мг/л преобладающими вместо карбонат­ ных ионов становятся сульфатные ионы и вместо ионов кальция — ионы натрия, а при граничном значении 10 %о — вместо сульфат­ ных ионов — хлоридные. Следовательно, миграционные кривые позволяют разделить пресные, солоноватые и соленые воды и выде­ лить в них определенные группы.

Для рассолов обоснование граничных значений минерализации с теоретических позиций заключается в выделении тех градаций минерализации, которые соответствуют интервалам изменений в ионном составе воды, происходящих в связи с физико-хими- ческими превращениями и со сменой одних равновесных систем другими. Равновесные системы выявлены экспериментально при выпаривании морских вод в лабораторных и полевых условиях. Рассолы, по И. Е. Зайцеву, охватывают пять подгрупп: очень сла­ бые рассолы отвечают первой стадии сгущения океанической воды, когда из нее начинает выпадать доломит; слабые рассолы — верх­ ний предел примерно соответствует садке гипса из океанической воды; крепкие рассолы отвечают стадии сгущения океанической воды, когда из нее (близ верхнего предела) осаждается галит; весь­ ма крепкие рассолы характеризуются такой степенью сгущения, когда происходит садка карналлита; сверхкрепкие рассолы пред­

Глава 5. К лассиф икация состава природны х вод

163

ставляют собой маточную рапу после выпадения из нее карналлита. Разделение рассолов на подгруппы почти во всех современных классификациях производится именно по этому принципу.

Примером выделения подгрупп в пресных и соленых водах на основании региональных исследований и использования природ­ ных вод в практических целях является дробная классификация Н. И. Толстихина. Сверхпресным водам, по Толстихину, отвечают снег и льды Антарктиды; весьма пресным — атмосферные осадки; к очень пресным относится вода озер Байкал, Ладожского, грунто­ вые воды тундры, высоких гор; особо пресными являются грунто­ вые воды лесов, средних гор; умеренно пресными — грунтовые во­ ды лесостепи, низких гор; пресноватыми — грунтовые воды степи. Соленые воды разбиты на подгруппы по следующим признакам: слабосолоноватые — питьевые по необходимости, минеральные питьевые; среднесолоноватые — водопойные; сильносолоноватые — водопойные по необходимости; слабосоленые — нижняя граница (25 %о) обоснована тем, что при данной минерализации температу­ ра замерзания и температура максимальной плотности равны меж­ ду собой; умеренно соленые — вода опресненных морей; нормально соленые — вода Мирового океана. В рассолах выделена подгруппа крепкосоленых вод, или очень слабых рассолов, соответствующая минерализации воды некоторых осолоненных морей аридных об­ ластей.

Следует отметить, что границы подгрупп в классификации Тол­ стихина выделены несколько условно. Исходя из конкретных практических целей можно использовать любую классификацию, приведенную в табл. 5.5

				Таблица 5.5
	П р и м ер ы к л асси ф и к ац и й п ри род н ы х вод по м и н ер ал и зац и и
	Автор классифи­	Воды	Минерализация
	кации, годы		г/дм 3	%о
	В. И . В ернад ­	П ресны е	<1
	с к и й ,	Солоноватые	1— 10
	1933 — 1936	Соленые	10— 50
		Рассолы	> 50
	И . Е . З ай ц ев ,	П ресны е	<1	<1
	1 9 4 5 — 1972	а) весьм а пресны е		<0,1
		б) норм ально пресны е		0 ,1 — 0,5
		в) ж естк и е п ресн ы е		0 ,5 — 1
		С олены е	1— 36	1— 35
		а)со л о н о ваты е		1— 3
		б )слабосолены е		3 — 10
		в) сильносолены е		10— 35
		Рассолы	>36	> 35
		а) весьм а слабы е	3 6 — 75	35 — 70

164Раздел 1. Теоретические основы гидрохимии

Продолж ен ие т а б л . 5 .5

Автор классифи­		Воды		Минерализация
кации, годы				г/дм 3	%0
	б) слабы е			7 5 — 150	70 — 140
	в )к р е п к и е			150 — 320	140— 270
	г) весьм а к р еп к и е			320	2 70 — 350
	д) св ер х кр еп ки е				> 3 5 0
А . М . О вчин ни ­	У льтрап ресны е			< 0,2
ков	П ресны е	•		0 ,2 — 0 ,5
	Воды с относительно п овы ш ен ­			0 ,5 — 1
	ной м и н ерали зац и ей			1— 3
	С олоноваты е
	С олены е			3 — 10
	Воды	п овы ш ен ной солено­		10— 35
	сти
0 . А . А лек и н	Воды рек:
	очень м алой м и н ер али зац и и			< 0,1
	м алой м и н ер али зац и и			0 ,1 — 0 ,2
	средней м и н ер али зац и и			0 ,2 — 0 ,5
	п овы ш енной		м и н ер ал и за ­	0 ,5 — 1,0
	ц ии			> 1 ,0
	вы сокой м и н ер али зац и и
0 . А . А лек и н ,	П ресны е				<1
1970	С олоноваты е				1— 25
	С м орской соленостью				25 — 50
	Р ассолы				50
М . С. Г уревич и	С верхпресны е			<0,01
Н . И . Толсти-	П ресны е			0 ,0 1 — 1,0
х и н , 1961	а) наиболее пресны е			0 ,0 1 — 0,03
	б) очень п ресны е			0 ,0 3 — 0,1
	в) н орм ально пресны е			0 ,1 —0 ,5
	г) пресноваты е			0 ,5 — 1,0
	С олоноваты е			1— 10
	а) слабосолоноваты е			1— 3
	б) си льносолоноваты е			3 — 10
	Солены е			10— 50
	а) слабосолены е			10— 35
	б) сильносолены е			3 5 — 50
	Рассолы			> 5 0
	а) слабокон цен трирован ны е			5 0 — 100
	б )к р е п к и е			100— 270
	в) очень к р еп к и е			2 7 0 — 350
А . В . Щ ербаков,	г) св ер х кр еп ки е			> 350
	П ресны е			< 0 ,2
1962	а) резко пресны е
	б) ум еренно п ресны е			0 ,2 — 0,5
	в) норм ально пресны е			0 ,5 — 1,0

	Глава 5. К лассиф икация состава природных вод				165
			О к о н ч а н и е т а б л . 5.5
Автор классифи­		Воды	М инерализация
кации, годы			г/дм 3		%о
	С олоноваты е
	а) слабосолоноваты е		1 —	3
	б )солон оваты е		3 — 10
	С олены е
	а) слабосолены е		10—	30
	б) солены е		30 —	50
	Р ассолы
	а) слабы е		50 — 100
	б )к р е п к и е		100—	320
	в)	резко к р еп ки е	> 3 2 0
Е. В. П и н н екер ,	Р ассолы
1966	а) слабы е		3 6 — 150		3 5 — 135
	б )к р е п к и е		150—	320	135 — 265

5.3. Результаты химического анализа вод. Формула Курлова. Наименование вод

Исследование природных вод осуществляется путем химическо­ го анализа проб воды. После выполнения анализа составляется таб­ лица, в которую кроме результатов анализа необходимо помещать следующие сведения: 1 ) объект и его местоположение; 2) дата отбо­ ра проб воды (год, месяц, число). Результаты анализа представля­ ются в миллиграммах (или граммах) на 1 л, в миллимолях количе­ ства вещества эквивалента на 1 л и в процентах количества вещест­ ва эквивалента. В гидрохимической практике важно уметь дать пе­ ресчет результатов анализа проб воды из одной формы выражения в другую. Для перехода от массовой концентрации к молярной кон­ центрации эквивалентов необходимо числовое значение массы ис­ следуемого вещества разделить на числовое значение молярной

массы эквивалента. Например, массовой концентрации НС03 0,145 г/л соответствует молярная концентрация эквивалента

Снсо- = 0,145/61,018 = 2,38 ■10“3моль/л = 2,38 ммоль/л.

Эквивалентная форма выражения результатов анализа имеет особое значение в гидрохимической практике, и ее использование не исключает одновременного применения прочих форм. При при­ менении эквивалентной формы все вещества выражены в тех хими­ чески равноценных единицах, пропорционально которым они всту­ пают между собой в реакцию и связаны в солях, будучи в твердом состоянии.

166	Раздел 1. Теоретические основы гидрохимии

При изучении природных вод, особенно при сравнении вод раз­ ной минерализации, важно знать соотношение между ионами, для чего незаменимо использование относительного содержания коли­ чества вещества эквивалентов (КВЭ) от общей суммы ионов в дан­ ной воде. Сумма анионов и катионов принимается за 100 %, следо­ вательно, относительное эквивалентное содержание какого-либо аниона или катиона определяется по следующим формулам:

КВЭа = a lOO/Sa; КВЭк = а ■100/Ек,

(5.2)

где а —содержание иона в ммоль/л.

Эквивалентная форма дает возможность расчета некоторых главных ионов без непосредственного аналитического определения. Так, если не требуется раздельное определение Na+ и К+, то часто прибегают к их расчету по разности сумм эквивалентов. Очевидно, что сумма эквивалентов Na+ + К+ будет равна разности эквивален­

тов анионов и катионов, а именно: Na+ + К+ = (НСО3 + SO4 + СГ) -

- (Са2++ Mg2+). Естественно, что данный способ определения наиме­ нее точный, так как он включает всю сумму погрешностей, накап­ ливающихся при определениях остальных ионов. Для перевода мо­ лярной концентрации эквивалентов Na++K+ (ммоль/л) в массовую концентрацию (мг/л) применяют эмпирический коэффициент. По П. А. Кашинскому, он равен для пресных вод 25, а для минера­ лизованных 24. Последний коэффициент соответствует отношению Na+/K+ = 7,05. Но так как значения этого отношения колеблются в пресных и маломинерализованных водах в небольших пределах и концентрации Na+ и К+ относительно других ионов невелики, то возникающей погрешностью можно пренебречь. Точность анализа воды обычно не превосходит 1 %, и поэтому при записи в таблицу достаточно ограничиться тремя значащими цифрами. Например, вместо 1,344 мг/л можно записать 1,34 мг/л, а число 34,79 мг/л округлить до 34,8 мг/л.

В таблице обязательно должна фигурировать сумма ионов, ха­ рактеризующая минерализацию воды. Следует привести сухой ос­ таток, если он определялся аналитическим путем. Ионы рацио­

нальнее располагать в следующем порядке: СГ, SO2-, НСО3, СО3-,

К+, Na+, Mg2+, Са2+.

Анионы располагаются по убыванию их химической активно­ сти; в отношении катионов это правило не соблюдено — более ак­ тивный кальций стоит после магния. Такое расположение ионов удобно для комбинирования при пересчете химического состава во­ ды из ионной формы в эквивалентную. Объединяя эквивалентные количества катионов и анионов в том порядке, в каком они распо­ ложены, мы получим представление осолевом составе воды.

Глава 5. К лассиф икация состава природных вод

167

Для наглядного изображения химического состава минераль­ ных вод М. Г. Курловым была предложена формула. В настоящее время она используется и для систематизации пресных вод. Фор­ мула Курлова представляет собой псевдодробь, в числителе которой записываются анионы (в процентах количества вещества эквива­ лента) в порядке убывания их содержания. В знаменателе в таком же порядке располагаются катионы. Количество вещества эквива­ лента катионов и анионов округляется до целого числа. Слева от дроби записывается общая минерализация воды М (г/л). Здесь же указывается содержание газов и некоторых микроэлементов. Спра­ ва от дроби записывается температура воды Т (°С) и расход (дебит) воды Ддля скважин и источников (л/с, м3/сут):

„	анионы(100 %) _ _		(5.3)
рМ	------ \ -----	4Т, Д.

катионы(100 %)

Здесь р — специфические компоненты, содержащиеся в природных водах.

Например, состав воды одной из разведочных скважин по фор­ муле Курлова можно выразить в следующем виде:

M14i8Rn20H2S82СОо.22 C^ y fc a 2 8 6Т46’ Д880,

В формуле Курлова не используется общепринятый принцип выделения главных ионов. Чаще всего для минеральных вод за предел берут цифру 20, а для пресных вод — 25. Мы рекомендуем к главным относить те ионы, содержание которых равно или более 25 % количества вещества эквивалента.

5.4. Графическое изображение химического состава воды

Для графического изображения химического состава вод с уче­ том раздельного содержания Са2+ и Mg2+, а также SO и СГ поль­

зуются треугольниками Фере (рис. 5.2). Один из треугольников (а) служит для изображения анионов, другой (б) — катионов. В каж­ дом треугольнике на основании значении количества вещества эк­ вивалента в процентах наносится точка, соответствующая иссле­ дуемому составу вод. При этом достаточно знать значения двух ио­ нов в процентах количества вещества эквивалентов. Сначала отсчи­ тывают на стороне треугольника количество вещества эквивалента в процентах одного из ионов и проводят из этой точки прямые ли­ нии, параллельные двум другим сторонам треугольника. Пересече­