Состав природных вод

Состав природных вод

Природные, в том числе подземные, воды представляют собой сложные системы, состоящие из собственно воды, о свойствах которой мы говорили на прошлой лекции, разнообразных ионов химических элементов, газообразных молекул, органических соединений, микроорганизмов, сложных органоминеральных комплексов и т.д. Но всё–таки главными компонентами природных растворов, изучаемыми гидрогеохимией, являются шесть ионов: НСО3–, SO42–, С1–, Ca+, Mg+ иNa+.

Прежде, чем начать рассмотрение химического состава природных и, главным образом, подземных вод, будет нелишним вспомнить о способах выражения химического анализа воды, о подходах к систематике, или классификации природных вод. В гидрогеохимической практике приняты три основные формы выражения концентрации компонентов. Первая форма — это г/л или мг/л. Это масса химического вещества, содержащегося в 1 л природного раствора. Реже массу химического вещества рассчитывают не на объёмную единицу (л), а на массовую (кг), и получается единица измерения г/кг. Вторая форма выражения концентрации — это г–экв или мг–экв. Чтобы получить миллиграмм–эквивалентное выражение концентрации надо величину концентрации в мг/л разделить на эквивалентную массу иона. Эквивалентная масса иона равна атомной массе, делённой на валентность. Например, эквивалентная масса Са2+ составляет 40,08 : 2 = 20,04, а Na+ — 23,0 : 1 = 23,0. Эквивалентная форма выражения результатов анализа по существу равнозначна молярной форме выражения; при этом концентрации веществ выражены в тех химически равноценных единицах, пропорционально которым они вступают между собой в реакции и связаны в солях, будучи в твёрдом состоянии. При качественно выполненном анализе Σ мг–экв анионов равна Σ мг–экв катионов. Наконец третья форма выражения концентраций — это %–эквивалентная форма. Сумма мг–эквивалентов анионов принимается за 100 % и сумма мг–эквивалентов катионов — за 100 % и рассчитывается, какой процент составляет концентрация каждого иона (в мг–экв) от общей суммы катионов или анионов. Приведём пример анализа воды, полученной из среднедевонских отложений (гл. 251 м) в д. Обабье Браславского района.

Одной из важнейших характеристик химического состава природных вод является их минерализация, т.е. сумма растворённых солей; она выражается в г/л, мг/л, г/кг, мг/кг, может даваться в процентах (%), промилле (‰), в эквивалентном выражении. Иногда, главным образом в океанологии, вместо термина “минерализация” применяется термин “солёность”. Это синонимы.

Химический состав природных вод очень разнообразен. Это вызывает необходимость систематизации химического состава вод. С этой целью предложены ряд классификаций и множество способов наглядного изображения химического состава вод (графики, формулы, коэффициенты и т.п.).

Наиболее распространено выражение химического состава воды в виде формулы Курлова. Эта формула представляет собой инструмент не только выражения состава воды, но и определения её типа, т.е. это инструмент классифицирования вод по химическому составу. Формула Курлова была предложена в 1928 г. и с этого времени её вид претерпел изменения. Современный и наиболее рациональный вид формулы Курлова покажем на примере такой формулы для приведенного выше химического анализа воды из среднедевонских отложений Браславского района.

Итак, в левой стороне формулы выписывается (в мг/л) содержание газов, а затем микрокомпонентов, если их количество представляет геохимический интерес. Далее записывается минерализация воды (М) в виде дроби: в числителе в массовой форме (в г/л с точностью до одного десятичного знака), в знаменателе — в мг–эквивалентной форме. Далее, в псевдодробь записываются в %–эквивалентном выражении (с точностью до целых процентов) в нисходящем порядке все анионы (в числителе) и катионы (в знаменателе), содержание которых составляет более 1 %–экв. Справа от псевдодроби записывают показатели, характеризующие состояние воды (рН, Еh), перманганатную окисляемость в мг О/л, характеризующую содержание в воде органических веществ, а также температуру воды. Для сильноминерализованных вод в конце формулы проставляют плотность воды. При наименовании воды по её ионному составу по формуле Курлова учитываются ионы, концентрация которых превышает 20 %–экв. При этом сначала называются подчинённые ионы, а затем преобладающие. Вода, формула которой изображена выше, будет называться хлоридно–гидрокарбонатной натриево–магниево–кальциевой.

В большинстве случаев гидрогеохимической практики простое чтение формулы Курлова, как мы это только что сделали, оказывается достаточным для определения характера воды. Однако иногда (при гидрогеохимической оценке нефтегазоносности, при изучении минеральных лечебных вод, при решении специальных вопросов теоретической гидрогеохимии) необходимо провести более детальную типизацию воды по химическому составу. Тогда исследуют соотношения ионов (в мг–экв или %–экв.), которые по существу отражают, какие соли присутствуют в растворе, как связаны между собой катионы и анионы.

Почти все природные воды укладываются в четыре типа (в типе III — два подтипа), характеризующиеся следующими соотношениями ионов:

I)  HCO3– > Ca2+ + Mg2+,

II)  HCO3– < Ca2+ + Mg2+ < HCO3– + SO42–,

IIIa)  Cl– < Na+ + Mg2+,

IIIб)  Cl– > Na+ + Mg2+,

IV)  HCO3– = 0.

Применив указанные соотношения к нашей воде из Браславского района (см. формулу Курлова), легко установить, что вода относится ко II типу, к которому относится большинство подземных вод малой и умеренной минерализации. Скачать и найти лучшие игры на Desire X вы сможете на сайте desire-wildfire.ком

Итак, мы произвели типизацию подземной воды по химическому составу. И произвели её по существу, следуя наиболее принятой классификации О.А. Алекина –Е.В. Посохова. В основу этой классификации положены два принципа: преобладающих ионов и соотношения между ионами. Все природные воды по преобладающему аниону делятся на классы: гидрокарбонатный, сульфатный, хлоридный и промежуточные (гидрокарбонатно–сульфатный, сульфатно–хлоридный и т.д.), а классы по преобладающему катиону делятся на группы: кальциевых, магниевых, натриевых и смешанных (кальциево–магниевых, натриево–кальциевых и т.д.) вод. В пределах групп выделяются типы вод по соотношению ионов.

По величине минерализации природные воды подразделяются на пресные (до 1 г/кг), солоноватые (1,0–10,0 г/кг), солёные (10,0–35,0 г/кг) и рассолы (35–>370 г/кг). В пределах названных групп существует более дробное деление, как показано в таблице.

Кстати, в этой таблице можно видеть, как сильно начинают различаться цифры минерализации, выраженной в г/кг и г/л при большой минерализации. Это связано с существенным ростом плотности воды при увеличении минерализации (пресная вода имеет плотность 1,0 г/см3; морская вода с минерализацией 36 г/л — 1,03 г/см3, а рассол с минерализацией 394 г/л — 1,28 г/см3).

Теперь кратко рассмотрим особенности состава атмосферных и поверхностных вод Земли, которые дают начало подземным водам.

Атмосферные  (метеорные)  воды.  Несмотря на довольно большое разнообразие химического состава незагрязнённых промышленными отходами дождевых и снеговых вод, всё же они, как правило, отличаются низкой минерализацией, не превышающей в районах гумидного климата 50, а нередко и 20 мг/л. Но в некоторых районах морских побережий за счёт солей, захватываемых с поверхности моря, минерализация дождевых вод в отдельные периоды года может быть более 100 мг/л. Из моря или океана атмосферные осадки заимствуют натрий, хлор, иод, бром. В Западной Европе содержание хлора в атмосферных осадках в непосредственной близости от берегов морей достигает иногда 200–300 мг/л. С удалением от морских побережий в глубь континентов всё большую роль в атмосферных осадках играют вещества, поступающие в атмосферу в результате развевания и последующего растворения пылеватых частиц почв и горных пород, а в условиях засушливого климата — и легкорастворимых солей. В последнем случае состав метеорных осадков становится сульфатным и даже хлоридным.

Важно отметить, что с каждым годом все больше возрастает роль техногенного фактора, который сильно изменяет состав атмосферным осадков. Выбросы в атмосферу газов, загрязнение её разнообразными отходами приводят к образованию в атмосфере кислот, щелочей, обогащению атмосферных вод различными металлами, органическими соединениями и солями. Из–за того, что минерализация атмосферных вод мала, а источников поступления вещества в атмосферу много, метеорные воды характеризуются большим разнообразием химических типов. Кроме солей атмосферные воды содержат растворённые азот, кислород, углекислый газ, инертные газы.

Речные  воды.  Воды подавляющего числа рек имеют небольшую минерализацию (менее 0,5 г/л). Это, как правило, гидрокарбонатные кальциевые воды. В степной полосе и пустынях преимущественно распространены реки с сульфатной кальциевой или натриевой водой. Минерализация вод таких рек чаще всего 0,5–1 г/л. В отдельных случаях, как, например, в реке Кума, она достигает 4–5 г/л. Реки с водой хлоридного класса также распространены редко.

Из биогенных компонентов химического состава для речных вод наиболее характерны соединения азота и фосфора. Органическое вещество в реках представлено, главным образом, гуминовыми соединениями. Из растворённых газов в речных водах наибольшее значение имеют кислород и углекислый газ.

В исключительных случаях реки характеризуются совершенно уникальным составом. Например, р. Риу–Негру в Колумбии содержит воду, в которой присутствует 11 г/кг серной кислоты и 9 г/кг соляной. В истоке этой реки находятся, по–видимому, активные вулканы.

Озерные  воды.  По минерализации воды озёр делятся на пресные (до 1 г/л), солоноватые (до 35 г/л) и соляные (свыше 35 г/л).

Вода подавляющего большинства пресных озёр гидрокарбонатная кальциевая. Таковы, например, озёра Нарочь, Байкал, Ладожское, Онежское, Гурон, Мичиган, Танганьика. Химический состав воды пресных озёр определяется составом вод втекающих в них рек.

Сложнее обстоит дело с солоноватыми озёрами. В них вода подвергается испарительному концентрированию, а при этом происходят изменения в соотношении главных ионов и, следовательно, изменение её химического состава. К категории крупных солоноватых озёр относятся Балхаш, Иссык–Куль и Аральское море. По преобладающим анионам вода в них является хлоридно–сульфатной или сульфатно–хлоридной, по катионному составу — магниево–натриевой.

Соляные озёра делятся на три типа по химическому составу воды. Это: содовые или карбонатные, сульфатные и хлоридные. Соляные озёра бессточные, расположены в аридной зоне. На базе некоторых соляных озёр осуществляется промышленная добыча либо осаждающихся солей, либо высококонцентрированных вод (рассолов). Так, в заливе Кара–Богаз–Гол (Туркмения) много лет шла добыча мирабилита (Nа2SO4 · 10Н2О). В Израиле из хлоридных магниево–натриевых рассолов Мёртвого моря (это озеро) с минерализацией 300–320 г/л извлекают хлористый калий и бромидные продукты. В воде Мёртвого моря содержится 6 г/кг брома — самое большое количество, когда–либо зарегистрированное для любой поверхностной воды. Интересно, что такое же содержание брома установлено и в подземных рассолах Гомельской области (Припятский прогиб).

Состав и количество органического вещества в озёрных водах весьма разнообразны и зависят от физико–географических условий нахождения озёра, его биологической продуктивности, ионного состава воды, температуры и др. В состав растворённых газов озёрных вод входят  кислород, азот, углекислый газ, иногда сероводород и метан.

Морские  и  океанические  воды.  В морской и океанической воде обнаружены все химические элементы. Однако основную массу солей составляют одиннадцать главных компонентов, которые в средней океанической воде имеют такие концентрации (в г/л): Na+ — 11,03; Mg2+ — 1,33; К+ — 0,40; Са2+ — 0,42; Sr2+ — 0,01; Cl– — 19,83; SO42– — 2,77; НСО3– — 0,15; Br– — 0,07; F– — 0,01 и Н3ВО4 — 0,03. Эти компоненты дают в сумме 99,9 % массы всех растворённых в океанической воде соединений. Минерализация средней океанической воды составляет 36 г/л, или 35 г/кг.

Таким образом, современная океаническая вода является хлоридной натриевой, относящейся к типу III, подтипу а, согласно классификации О.А. Алёкина – Е.В. Посохова.

Ещё в 1819 г. Марсет установил, что морская и океаническая вода в разных районах земного шара содержит одни и те же химические компоненты в очень близких пропорциях, а различия в химическом составе состоят только в общем количестве присутствующих солей, т.е. в минерализации. Действительно, минерализация воды составляет для Белого моря 3, Балтийского — 7, Черного — 18, Мраморного — 25, Средиземного и Красного — 38 г/кг.