Химического состава природных вод

УСЛОВИЯ И ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ

Процесс формирования химического состава природных вод весьма сложен; он совершается под воздействием разнообразных факторов. Среди них можно различать главные и второстепенные, а также прямые и косвенные. Прямыми называются такие, которые непосредственно обогащают воду солями (почвы, горные породы), к косвенным относятся те факторы, которые действуют опосредованно, т. е. через посредство других факторов.

Физико-географические условия (рельеф, климат, процессы выветривания и почвенный покров).

Рельеф является косвенным фактором формирования состава вод. Он оказывает влияние на условия водообмена, а от последних зависит минерализация и химический состав природных вод. Степень расчлененности рельефа определяет размеры поверхностного стока и дренированность подземных вод. Рельеф перераспределяет выпадающие на земную поверхность осадки. На возвышенностях и их склонах усиливается поверхностный сток, а условия питания подземных вод ухудшаются. Наоборот, в пониженных формах рельефа поверхностный сток замедляется, вследствие чего увеличивается инфильтрация вод в почву. С рельефом местности связаны солевой режим почв, а также заболоченность местности, обусловливающая специфический состав вод.

Роль рассматриваемого фактора более четко выступает в горных районах, где расчлененный рельеф создает отдельные орографические единицы с самостоятельным гидрологическим режимом, в которых можно уловить тесную связь химического состава вод с составом горных пород. На равнинных пространствах, в условиях мелкобугристого рельефа, минерализация и состав природных вод изменяются в больших пределах. В областях с аридным климатом рельеф выступает в качестве одного из ведущих факторов формирования природных вод. Если бессточная котловина собирает поверхностный сток и одновременно дренирует подземные воды (является местом их разгрузки), то вследствие высокой испаряемости в котловине образуется соляное или самосадочное озеро. Если дно бессточной котловины лежит выше уровня грунтовых вод и, в то же время, она аккумулирует поверхностные воды, то при достаточной проницаемости пород, слагающих ее дно, сформируется линза грунтовых пресных или солоноватых вод, ниже которой иногда залегают соленые грунтовые воды.

Климат, прежде всего, определяет метеорологические условия, от которых зависит водный режим поверхностных и подземных вод. К основным метеорологическим элементам, воздействующим на состав природных вод, относятся атмосферные осадки, температура и испарение.

Первая стадия формирования химического состава вод осуществляется в атмосфере. Из всех природных вод наиболее быстрые изменения минерализации и состава во времени и пространстве наблюдаются у атмосферных осадков. И, тем не менее, несмотря на такую неустойчивость, состав осадков является в общем характерным для данной местности, отражая тип ее географического ландшафта. Минерализация атмосферных осадков, как правило, ниже минерализации речных и озерных вод. Выпадающие осадки обычно уменьшают минерализацию поверхностных и подземных вод. Минеральные соли, содержащиеся в атмосферных осадках, в той или иной степени оказывают влияние на формирование химического состава поверхностных вод. Это влияние бывает особенно заметным на слабоминерализованных водах. В так называемых ультрапресных (весьма пресных) водах ионы хлора иногда целиком поступают из атмосферы.

Химический состав поверхностных и грунтовых вод нередко похож на состав атмосферных осадков на территории их выпадения. Это сходство прослеживается в районах с местным аэрозольным питанием. Различия заключаются в минерализации и содержании биогенных компонентов. Причина сходства, очевидно, заключается не в том, что ионный состав поверхностных и грунтовых вод сформировался за счет привноса солей осадками, а в том, что поверхностные, грунтовые и метеорные воды имеют один и тот же источник солевого питания - почвы и горные породы данной местности.

Под воздействием достаточно минерализованных обильных осадков может временно сформироваться химический тип вод, совершенно чуждый для состава водоносных пород того или иного района. Подобные явления происходят в результате переноса воздушными течениями аэрозолей (ядер конденсации) из других областей с иными физико-географическими условиями. Повышенное содержание хлоридов в грунтовых водах морских побережий может быть связано с осадками морского происхождения.

С изменением температуры атмосферного воздуха связано промерзание и оттаивание почв и пород в зоне годовых колебаний температуры, что сказывается на условиях питания поверхностных и грунтовых вод, и, следовательно, на их минерализации и химическом составе. Всякие колебания температуры воды обусловливают изменение растворимости солей, присутствующих в природных растворах. Здесь мы коснемся влияния на химию природных вод температуры воздуха как метеорологического фактора, воздействующего, прежде всего, на поверхностные водоемы.

Влияние температуры воздуха может отражаться на составе вод самосадочных озер и пресных поверхностных вод. В последнем случае изменение состава воды совершается в результате выпадения из нее карбонатов кальция при повышении температуры. Поэтому летом в условиях жаркого климата может происходить садка кальцита в мелководных хорошо прогреваемых водоемах.

Под воздействием процессов промерзания химический состав воды метаморфизуется. Между льдом и промерзающим раствором происходит перераспределение солей. В лед соли поступают избирательно. Одновременно с кристаллизацией льда выделяются труднорастворимые соединения, а в растворах сохраняются наиболее легкорастворимые при низких температурах соединения, к которым принадлежат хлориды кальция, магния и натрия.

Испарение - один из мощных факторов формирования минерализации и химического состава поверхностных и грунтовых вод. Наиболее действенным этот фактор становится в тех районах, где отношение суммарного испарения к сумме атмосферных осадков оказывается наибольшим, т. е. в области пустынь, полупустынь и сухих степей. В засоляющихся под влиянием испарения поверхностных водоемах происходит выпадение солей (минералообразование), сначала менее, а потом, более растворимых. В результате этого гидрокарбонатные воды преобразуются сначала в сульфатные, а затем сульфатно-хлоридные и даже хлоридные.

В засушливой зоне земного шара процесс испарения обусловливает постепенное концентрирование солей в грунтовых водах. Явление это хорошо прослеживается на примере грунтовых вод, формирующихся в замкнутых межгорных впадинах.

Процессы выветривания. Существенное значение в формировании химического состава природных вод имеет физическое (механическое), химическое и биологическое выветривание горных пород. Основным фактором химического выветривания является атмосферная вода, действие которой усиливается растворенной в ней углекислотой. Значительную роль в процессах химического выветривания играет также кислород воздуха.

Химическое выветривание горных пород складывается из следующих более простых процессов: растворения, гидролиза, гидратации, окисления. Все перечисленные процессы являются экзотермическими, т. е. протекают с выделением тепла. Процессы растворения играют большую роль при выветривании некоторых осадочных пород, например, известняков, доломитов и гипсоносных пород. Значительно сложнее вопрос о растворимости магматических пород, так как практически невозможно отделить при действии на них воды процессы простого растворения от гидролитических процессов. В результате выветривания магматических пород получаются продукты трех типов: 1 - остаточные образования, 2 - переотложенные осадки и 3 - растворимые соли. Последние как раз и формируют ионный состав вод современной коры выветривания изверженных пород.

Различают два вида химического выветривания: углекислотное и сернокислотное. Наиболее характерным для формирования состава природных вод является углекислотное выветривание с его главным агентом - углекислотой. Интенсивность этого вида выветривания определяется концентрацией СО₂ в водах, однако не вся углекислота способна взаимодействовать с породой, а только часть ее, называемая агрессивной углекислотой.

Основным агентом сернокислотного выветривания является серная кислота, образующаяся при окислении сульфидов (например, FeS₂).

Биологическим выветриванием называют процесс механического разрушения и химического изменения минералов горных пород под воздействием поселившихся на них организмов, продуктов их жизнедеятельности и продуктов разложения органических остатков. Важный агент выветривания - растительность. Особенно интенсивно выветривание протекает там, где количество атмосферных осадков превышает испаряемость, а температура достаточно высока. Здесь создается мощная концентрация организмов, которые выделяют колоссальные массы органических кислот, активно способствующих преобразованию кристаллических решеток первичных минералов. Гумусовые кислоты имеют большое значение для формирования состава природных вод. Они наряду с двуокисью углерода придают воде свойства агрессивности к горным породам не только карбонатным, но и изверженным. Это значит, что состав природных вод обусловливается не простыми абиотическими реакциями гидролиза и растворения, а более сложным, хотя и более быстро протекающим процессом.

Почвы, как известно, обогащают воду ионами, газами, органическим веществом. Влияние почвенного покрова на формирование вод двояко: с одной стороны, почвы могут увеличивать минерализацию фильтрующихся через них атмосферных осадков, а с другой - изменять уже сложившийся химический состав грунтовых вод, вступающих с почвами во взаимодействие. Количественная сторона этих процессов определяется типом почв. Если вода просачивается через бедные солями торфянисто-тундровые или болотные почвы, то она обогащается органическим веществом, и лишь в очень малой мере - ионами. Примерно то же самое наблюдается в подзолистых почвах. Значительно больше солей отдают в воду черноземные и каштановые почвы. И особенно сильно воздействуют на минерализацию фильтрующихся вод солончаковые почвы.

В ходе просачивания воды через почву вследствие окисления кислородом органического вещества изменяется также состав растворенных газов. Содержание кислорода при этом уменьшается, а количество СО₂ соответственно увеличивается. Выделяющаяся углекислота служит источником образования гидрокарбонатных ионов.

При взаимодействии грунтовых вод с почвами, кроме выщелачивания солей, происходит преобразование состава воды под влиянием ионного обмена, процессов минералообразования или замещения уже имеющихся в почвах минералов другими. Интенсивность преобразования зависит от типа почвы, от содержания в ней коллоидов, обладающих способностью адсорбировать ионы, а также обменивать поглощенные ионы на ионы водных растворов.

Горные породы - ведущий фактор формирования минерализации и химического состава природных вод. В водоносных горизонтах, заключенных в осадочных толщах, обогащение вод ионами, осуществляется непосредственно за счет выщелачивания растворимых минералов, находящихся в породах. Большое значение при этом имеет состояние водоносной толщи. При одном и том же минеральном составе рыхлая или сильно трещиноватая порода будет в большей степени отдавать в воду ионы, чем порода плотная или монолитная. Кроме того, при медленной циркуляции воды, имеющей место в мелкозернистой, содержащей коллоиды среде, формирование химического состава усложняется катионным обменом и другими сопутствующими явлениями. В последнем случае вопрос о происхождении тех или иных ассоциаций ионов (солей) в воде не может быть решен путем простого сопоставления химического состава воды с таковым вмещающей породы.

Биологические факторы. К указанным факторам относятся деятельность растений и микроорганизмов. Эти факторы обусловливают, с одной стороны, биогенную метаморфизацию природных вод, а, с другой стороны, обогащают в некоторых случаях воды микрокомпонентами.

Растительность является важным фактором формирования химического состава грунтовых вод в аридных климатических условиях. Транспирируя огромное количество влаги, растительность вызывает интенсивное понижение уровня, увеличение минерализации грунтовых вод и, связанное с последним, изменение их химического состава. Ввиду избирательного поглощения ионов растениями, в результате указанного процесса, может измениться рН и химический тип воды. Избирательная способность растений накапливать химические элементы состоит в том, что отдельные виды растений способны поглощать из раствора и накапливать в своих тканях большое количество каких-нибудь определенных химических элементов.

Среди растений выделяется так называемая группа фреатофитов, наиболее тесно связанная с грунтовыми водами. К этой группе растений относятся осоки, камыш, рогозы, тростник, а также целый ряд видов древесной и кустарниковой растительности. Все виды фреатофитов обладают хорошо развитой корневой системой, проникающей на глубину до 20-30 м.

К группе фреатофитов относятся соленакопляющие виды растений - галофиты, у которых лучше выражена избирательная способность накопления по отношению к ионам натрия и хлора. Если, например, кермек и полынь произрастают на одной и той же почве, то кермек поглощает из них преимущественно сульфаты, а полынь - хлориды.

Тяньшанская ель и сибирская лиственница обладают способностью аккумулировать кальций. После их отмирания кальций не возвращается в воду, а удерживается почвой, обусловливая появление азональных почв. Растительность оказывает влияние на характер почвенных реакций. Так, хвойные леса способствуют усилению кислотности, благодаря кислым свойствам их органических остатков (рН водной вытяжки из хвои равен 4,0). Лиственные леса и травянистая растительность, наоборот, благоприятствуют накоплению оснований в почвенных растворах. Смена хвойных лесов лиственными сопровождается изменением рН грунтовых вод.

Микроорганизмы играют особо важную роль в процессах метаморфизации химического состава природных вод. Исследования последних лет показали, что микроорганизмы способны развиваться как в поверхностных водоемах, так и в подземных водах, залегающих на глубинах 1000 м и более. Микробы могут существовать в довольно широких температурных пределах - от нескольких градусов ниже нуля до плюс 85-90 °С. Диапазон минерализации вод, при котором обитают микроорганизмы, также велик: существуют галофильные бактерии, обитающие в соленых водах. Однако высокая минерализация и слишком высокая температура угнетающе действуют на деятельность бактерий.

Различают бактерии аэробные и анаэробные. Первые живут и развиваются только при наличии свободного кислорода, который используется ими для дыхания. Вторые живут при отсутствии или при ограниченном доступе свободного кислорода и необходимый для них кислород черпают из кислородсодержащих органических соединений (например, углеводов) или из минеральных солей - нитратов, сульфатов и пр.

Аэробные условия характерны для поверхности суши, для речных и озерных водоемов и для неглубоких морей. Анаэробная бактериальная деятельность протекает в застойных водных бассейнах - болотах, лиманах, на дне глубоких морей и в толще осадочных пород ниже зоны аэрации.

В процессе своей жизнедеятельности микроорганизмы оказывают влияние на газовый режим и химический состав водоемов. При дыхании микроорганизмов поглощается кислород и выделяется двуокись углерода.

Обитающие в водоемах микроорганизмы извлекают из воды различные химические элементы (N, Р, С, Са, К, микроэлементы) в процессе жизнедеятельности. Это извлечение протекает избирательно и в значительных масштабах.

Классификация вод по их химическому составу

(классификация О.А. Алекина).

Большое разнообразие химического состава природных вод вынуждает тем или иным образом систематизировать их. До сих пор было предложено немало классификаций природных вод по их химическому составу, но вместе с тем пока еще нет простой классификации, учитывающей все особенности условий формирования химического состава всех вод и учитывающей весь комплекс растворенных веществ.

Рассмотрим только некоторые из предложенных классификаций.

Классификация вод по величине их минерализации, т. е. суммы найденных в воде ионов. Округляя различные существующие пределы, в данной классификации можно наметить следующее деление вод по величине минерализации:

пресные до 1,0 г/кг

солоноватые 1—25

воды с морской соленостью 25—50

воды соленые (с соленостью выше морской) выше 50

Область пресных вод, установленная до 1 г/кг, основана на восприятии человеком вкуса солености при наличии ионов свыше 1 г/кг. Граница в 25 г/кг между солоноватыми водами и водами с морской соленостью установлена на том основании, что примерно при этой минерализации (24,695) температуры замерзания и максимальной плотности воды равны между собой. А эти характеристики весьма важны для гидрологии. Граница между водами с морской соленостью и солеными водами установлена потому, что в морях не наблюдается минерализации свыше 50 г/кг, более высокие ее величины характерны только для соляных озер и сильно минерализованных подземных вод.

Классификация вод по их минерализации дает подразделение вод только в общих чертах и не учитывает особенностей содержания отдельных ионов и газов.

Классификация О.А. Алекина (рис.4) сочетает принцип деления по преобладающим анионам и катионам с делением по соотношениям между ионами. Все природные ионы делятся по преобладающему аниону (по эквивалентам) на 3 класса: гидрокарбонатных (и карбонатных) (НСО₃ + СО₃), сульфатных (S0₄) и хлоридных (Сl) вод. Каждый класс по преобладающему катиону подразделяется на 3 группы: кальциевую, магниевую и натриевую. В свою очередь каждая группа подразделяется на 3 типа вод, определяемых соотношением между ионами в мг-экв. (рис.4)

Первый тип характеризуется соотношением НСО₃ > Са + Мg. Воды этого типа образуются при значительном участии изверженных пород, содержащих

Рис.4. Классификация природных вод по их химическому составу

Дата добавления: 2014-11-16