Подземные воды — Химический состав подземных вод.

Химический состав подземных вод.

Химический состав подземных вод неодинаков и зависит от растворяемости прилегающих пород. Подземные воды представляют собой природные растворы, содержащие свыше 60 химических элементов, а также микроорганизмы. Сумма растворенных в воде веществ, исключая газы, определяет её минерализацию (выражаемую в г/л или мг/л).

По химическому составу различают следующие виды подземных вод:

• — пресные (до 1 г солей на 1 л воды),
• — слабоминерализованные (до 35 г солей на 1 л воды),
• — минерализованные (до 50 г солей на 1 л воды).

При этом верхние горизонты подземных вод обычно пресные или слабоминерализованые, а нижние горизонты могут быть сильноминерализованными.

Подземные воды, которые благодаря сво­им физико-химическим свойствам оказывают благотворное физиологическое воздействие на организм людей и используются для лечебных целей, называются минеральными. Химический состав минеральных вод весьма разнообразный: бы­вает углекислая вода (Кисловодск и другие ку­рорты района Кавказских Минеральных вод, Боржоми, Карлови-Вари и др.), азотная (Цхал-тубо), сероводородная (Мацеста), железистая, радоновая и др.

По В.И. Вернадскому по степени общей минерализации выделяют воды:

• пресные (до 1 г/л),
• соло­новатые (1 —10 г/л),
• соленые (10—50 г/л),
• рассолы (более 50 г/л) — в ряде классификаций принято значение 36 г/л, соответствующее средней солёности вод Мирового океана.

В бассейнах Восточно-Европейской платформы мощность зоны пресных подземных вод варьирует от 25 до 350 м, солёных вод — от 50 до 600 м, рассолов — от 400 до 3000 м.

Приведенная классификация указывает на значительные изменения в минерализации воды – от десятков миллиграммов до сотен граммов на 1 литр воды. Максимальная величина минерализации, достигающая 500 – 600 г/л, встречена в последнее время в Иркутском бассейне.

В последующем А.М. Овчинниковым и другими исследователями дано более дробное подразделение подземных вод по их минерализации (табл. 1). Для питьевых целей наилучшими водами являются пресные, с минерализацией до 1 г/л; при необходимости можно употреблять и слабо-солоноватые воды с общей минерализацией до 2 – 3 г/л. Воды с большей минерализацией для водоснабжения практически Са(НСО₃)₂ непригодны.

Таблица 1.
Общая минерализация и химический состав подземных вод (по А.М. Овчинникову)

Примечание : Уважаемые посетители, дефисы в длинных словах в таблице поставлены для удобства мобильных пользователей — иначе слова не переносятся и таблица не помещается в экран. Спасибо за понимание!

Характе-ристика вод	Общая минера-лизация, г/л	Хими-ческий состав	по В.И. Вернадс-кому
Ультра-пресные	<0,2	Обычно гидрокар-бонатные	Пресные
Пресные	0,2 – 0,5
Воды с относи-тельно повы-шенной минера-лизацией	0,5 – 1	Гидрокар-бонатно-сульфатные Сульфатно-хлоридные
Солоно-ватые	1 – 3		Солоно-ватые
Соленые	3 – 10	Преиму-щественно хлоридные
Воды повы-шенной солености	10 – 35		Соленые
Воды, пере-ходные к рассолам	35 – 50	Хлоридные
Рассолы	50 – 400 (500)		Рассолы

Основные свойства подземной воды – щелочность, соленость и жесткость

В подземных водах содержатся различные химические элементы, но подавляющее большинство их – в ничтожных количествах. Наиболее pacпространены ионы Cl^–, SO₄^2–, НСО₃^–. Na⁺, Са²⁺, Mg²⁺ иногда в заметных количествах NH₄⁺, К⁺, Fe²⁺ и Mg²⁺, а из газов СО₂, О₂, реже H₂S, N₂.

Различные сочетания первых основных шести элементов и определяют основные свойства подземной воды (рис. 1) – щелочность, соленость и жесткость.

Так, например, при значительной концентрации ионов Na⁺ и Cl^– – вода приобретает соленый вкус, а при большом содержании ионов Na⁺ и НСО₃^–приобретает щелочные свойства.

Рис. 1. Сочетания различных элементов, обусловливающих основные свойства воды.

Классификация подземных вод по химическому составу в большинстве случаев производится по преобладающим анионам и катионам.

Так, выделяются следующие наиболее распространенные классы:

1) гидрокарбонатные воды (НСО₃^–>25 экв-%);

2) сульфатные воды (SO₄^2–>25 экв-%);

3) хлоридные воды (Cl^–>25 экв-%);

4) воды сложного состава: хлоридно-гидрокарбонатные, сульфатно-гидрокарбонатные, хлоридно-сульфатные и другие еще более сложного состава.

По соотношению с катионами каждый из них может быть натриевым, или кальциевым, или магниевым, или смешанным – кальциево-магниевым, натриевокальциевым и др. Это хорошо выражено в классификации, предложенной С.А. Шукаревым и в последующем видоизмененной Н.Н. Славяновым (табл. 2).

Таблица 2.
Классификации подземных вод по химическому составу по преобладающим анионам и катионам

Ани-оны ⇒ ⇓ Кати-оны	Cа2+	Cа2+ Mg2+	Mg2+	Na+ Cа2+	Na+, Cа2+ Mg2+	Na+, Mg2+	Na+
НСO3–	1	2	3	4	5	6	7
НСО3–, SO42–	8	9	10	11	12	13	14
НСО3–, SO42–, Сl–	15	16	17	18	19	20	21
НСО3–, Сl–	22	23	24	25	26	27	28
SO42–	29	30	31	32	33	34	35
SO42–, Сl–	36	37	38	39	40	41	42
Сl–	43	44	45	46	47	48	49

Каждый анион или группа анионов (указанных по вертикали) может образовывать с отдельными катионами или группой катионов (указанных по горизонтали) различные сочетания. Цифрами в таблице обозначены типы вод, соответствующие различным сочетаниям анионов и катионов. Например: к 1-му типу будут относиться гидрокарбонатно-кальциевые воды, ко 2-му – гидрокарбонатно-кальциево-магниевые, к 8-му – гидрокарбонатно-сульфатно-кальциевые, к 49-му – хлоридно-натриевые.

Как видно из табл. 2, отчетливо проявляется закономерность изменения химического состава подземных вод с увеличением их минерализации от гидрокарбонатных к хлоридным.

В ряде артезианских бассейнов наблюдается хорошо выраженная вертикальная зональность. В верхних водоносных горизонтах развиты гидрокарбонатные воды, ниже – смешанные и далее сульфатные, а еще ниже – высокоминерализованные хлоридные. Существуют и другие классификации подземных вод (Алекин, 1970), в которых учитывается не только деление по преобладающим анионам и катионам, но и соотношение между ними.

Минерализация и химический состав подземных вод зависит от сочетания ряда факторов: происхождения вод, взаимодействия подземных вод с вмещающими породами, условий водообмена. Рассмотрим влияние этих факторов.

Происхождение вод – первый фактор, влияющий на химический состав подземных вод.

• Инфильтрационные воды, образующиеся за счет поступления с поверхности, обычно имеют низкую минерализацию, по химическому составу эти подземные воды преимущественно гидрокарбонатные кальциевые и магниевые, обогащённые кислородом.
• Конденсационные воды пресные.
• Седиментационные воды, образованные за счёт захоронения древних вод морского происхождения, обычно наследуют особенности состава последних – они хлоридные натриевые или хлоридные кальциево-натриевые.
• Захороненные воды ледниковых отложений ультрапресные.
• Эндогенные воды (и воды, развитые в зоне влияния потоков эндогенных флюидов) отличаются большим разнообразием по составу. Содержащиеся в их составе летучие компоненты (CO₂, HCl, H₂S и др.) придают им высокую агрессивность, способствующую выщелачиванию вмещающих пород и формированию сложного химического состава вод (например, известная группа Кавказских минеральных вод — «Ессентуки», «Новотерская» и др., связанных с областью внедрения неогеновых магматических пород).

Взаимодействие с вмещающими породами – второй фактор, влияющий на химический состав подземных вод.

Воды, фильтруясь через толщи пород, растворяют их, обогащаясь рядом элементов. Так при растворении соленосных толщ сложенных галитом (NaCl) воды приобретают хлоридный натриевый состав; при фильтрации через известняки — гидрокарбонатный кальциевый и т.д.

Условия водообмена — третий фактор, влияющий на химический состав подземных вод.

Условия водообмена определяют интенсивность участия подземных вод в гидрологическом цикле.

• В зоне интенсивного водообмена, где интенсивно протекают процессы круговорота вод («разбавление» вновь поступающими пресными инфильтрационными водами, разгрузка водоносных горизонтов родниками, относительно недолгое время взаимодействия с вмещающими породами) воды чаще гидрокарбонатные, богатые кислородом и азотом (газами воздушного происхождения), с низкой минерализацией.
• Зоне замедленного водообмена свойственны солоноватые воды многокомпонентного состава.
• Зона весьма замедленного водообмена, соответствующая нижней части артезианских бассейнов, представлена преимущественно солёными водами и рассолами (с минерализацией до 600 г/л), содержащим углеводородные газы и сероводород.