Изменение химического состава подземных вод доклад
Обновлено: 28.06.2024
Для хозяйственно-питьевого и технического водоснабжения наиболее пригодна пресная вода.
Пресные воды обычно приурочены к промытым и проточным водоносным горизонтам, залегающим в раскрытых геологических структурах (Н. К. Игнатович, 1944). Это обусловливает общие закономерности формирования химического состава подземных вод:
- географическую горизонтальную зональность в распределении грунтовых вод различного химического состава;
- вертикальную зольность в химическом составе артезианских вод, проявляющуюся в том, что минерализация артезианских вод, как правило, увеличивается и изменяется от верхних водоносных горизонтов к нижним;
- повышение минерализации воды в водоносном горизонте по мере увеличения глубины его залегания, т. е. по направлению его падения;
- повышение минерализации воды в водоносном горизонте при уменьшении водопроницаемости водоносных пород, а также при увеличении в нем количества водоупорных пород (глин и др.).
Изменение химического состава подземных вод, обусловленное общими закономерностями, осложняется еще местными гидрогеологическими условиями. Часто в одном и том же водоносном горизонте наряду с пресными водами отмечаются более минерализованные воды или, наоборот, среди минерализованных вод встречаются участки пресных вод.
Так, в Московском артезианском бассейне в одном и том же водоносном горизонте каменноугольных отложений отмечается некоторое опреснение воды на участках, в которых при прочих равных условиях уменьшается мощность покрывающих пород (А. С. Белицкий, 1958, 1964). Как указывает У. М. Ахмедсафин (1961), там, где в подошве меловых водоносных горизонтов в Тобол-Убаганском артезианском бассейне в Казахстане выклиниваются водоупорные слои, минерализация вод меловых отложении увеличивается вследствие притока, минерализованных вод из нижележащих водоносных горизонтов, то же наблюдается в Мугоджарах в зонах тектонических разломов. Некоторое увеличение минерализации грунтовых вод часто связано с появлением в зоне аэрации глинистых прослоев.
Иногда местные гидрогеологические условия оказывают настолько большое влияние, что они подавляют общие закономерности формирования химического состава подземных вод.
Химический состав подземных вод в основном обусловлен климатическими условиями района; химическим составом поверхностных вод; рельефом местности; составом пород, слагающих водоносный горизонт, и пород, подстилающих и покрывающих его; условиями питания, движения и дренирования водоносного горизонта; характером и степенью взаимосвязи водоносных горизонтов; санитарными условиями района, окружающего месторасположение скважины.
Влияние перечисленных факторов на химический состав подземных вод в разных условиях неодинаково. Химический состав грунтовых вод зависит от современных климатических условий, которые для артезианских вод не играют такой решающей роли.
Поверхностные воды могут изменять состав вод аллювиальных отложений, но не имеют значения для формирования состава грунтовых вод высоких междуречных пространств.
Рельеф поверхности земли оказывает большое влияние на химический состав подземных вод, особенно в зоне интенсивного водообмена, к которой в основном приурочены пресные воды. Рельеф земной поверхности определяет положение областей питания и районов дренирования подземных вод. Часто в районах дренирования наблюдается значительное повышение минерализации артезианских вод по сравнению с областями питания (например, в Самарской Луке и между Московским морем и Угличским водохранилищем на Волге или в долине среднего течения Камы, или, как указывает С. А. Шагоянц (1959), в краевой части Терско-Кумского артезианского бассейна, приуроченной к пониженному прибрежью Каспийского моря).
В жарких и сухих областях среднеазиатских республик в пределах возвышенностей, где уровень грунтовых вод находится на значительной глубине, эти воды более пресные, чем в пониженных формах рельефа с близким залеганием водного зеркала, с которого происходит усиленное испарение.
Состав водовмещающих пород тоже оказывает большое влияние на характер и степень минерализации подземных вод. Это влияние особенно сильно проявляется, когда сами породы или минеральные включения в них легко растворимы — например каменная и калийные соли, гипс, ангидрид, сульфиды и т. д.
В загипсованных слоях верхнего девона центральной части Русской платформы воды насыщены сульфатами; в Урало-Эмбенской области в местах развития соляных куполов подземные воды обогащены хлоридами натрия, а при наличии в породах вкрапленного пирита воды имеют сульфатный состав. Однако не всегда химический состав подземных вод отражает химический состав водовмещающих пород. Часто в незаселенных и незагипсованных известняках, песчаниках и даже в кристаллических породах встречаются сильно минерализованные хлоридные или сульфатные воды. Это обусловлено тем, что на химический состав подземных вод, кроме состава водовмещающих пород, влияют и Другие факторы — степень водообмена, характер движения и взаимосвязи вод различных водоносных горизонтов и др.
Условия питания движения и дренирования подземных вод, а также характер и степень взаимосвязи водоносных горизонтов друг с другом являются очень важными факторами, от которых зависит химический состав подземных вод. Например, в каменноугольных отложениях (рис. 7) известно несколько водоносных горизонтов, приуроченных к известнякам. Сопоставление минерализации воды в этих водоносных горизонтах показывает, что воды нижнего водоносного горизонта более минерализованы, чем воды водоносного горизонта, залегающего ближе к поверхности земли. В районе ст. Куровской сухой остаток воды из верхнегжельского водоносного горизонта составляет 246 мг/л, из нижнегжельского — 377 мг/л, а из мячковско-подольского — 1645 и даже 3114 мг/л. На территории г. Коломны сухие остатки вод мячковско-подольского и каширского водоносных горизонтов среднего карбона и водоносного горизонта нижнего карбона соответственно возрастают с 450 до 1455 мг/л.
Чем глубже залегает водоносный горизонт, тем более затруднены условия его питания и дренирования, а следовательно, водообмен в нем происходит слабее, чем в водоносном горизонте, лежащем ближе к поверхности земли. Слабый водообмен, сохраняющийся в течение длительного геологического времени, обусловливает и меньшую промытость пород горизонта.
На рис. 7 также видно, что минерализация воды мячковско-подольского водоносного горизонта непостоянна на различных участках. По направлению движения подземных вод на юг к рекам Москве и Оке, являющимся основными дренами, количество сухого остатка в них уменьшается. Вода опресняется вследствие уменьшения глубины залегания водоносного горизонта и сокращения мощности покрывающих его пород, поэтому облегчаются условия местного питания водоносного горизонта и увеличивается его водообмен.
В г. Коломне сухой остаток воды мячковско-подольского водоносного горизонта опять увеличивается до 450 мг/л. Это связано с тем, что территория города находится в пониженной местности при впадении р. Москвы в р. Оку, где происходит дренирование более минерализованных вод каширского водоносного горизонта и водоносного горизонта нижнего карбона.
Иногда минерализация вод уменьшается по направлению движения подземного потока вследствие разбавления их более пресными подземными водами. Например, в понтическом и надпонтическом водоносных горизонтах неогена в Азово-Кубанском артезианском бассейне воды движутся с юго-востока на северо-запад в сторону Азовского моря; на пути этого основного подземного потока его воды разбавляются пресными водами, стекающими с южных отрогов северного склона Кавказа (Л. И. Романика, В. И. Клименко, 1964).
Однако, когда подземные воды не опресняются вследствие облегчения местного питания или их разбавления, минерализация этих вод возрастает от областей питания водоносного горизонта к районам его дренирования.
Санитарные условия имеют большое значение при формировании состава подземных вод в тех районах, где имеются крупные источники загрязнения.
Учитывая отмеченные закономерности формирования химического состава подземных вод при рассмотрении общих и местных гидрогеологических условий, можно более правильно подойти к выбору водоносного горизонта и участка для заложения разведочно-эксплуатационной скважины.
Проектирование разведочно-эксплуатационных скважин для водоснабжения.
Белицкий А.С., Дубровский В.В., Издательство "Недра", 1968
Изменения химического состава подземных вод происходят в результате смешения вод различной минерализации, испарения, в также под влиянием некоторых других факторов. К числу основных природных условий, от которых зависит химический состав подземных вод, относятся; 1) климатические особенности, 2) характер почвенного слоя, 3) состав горных пород и 4) деятельность живых организмов. Большое значение имеют также условия питания подземных вод и интенсивность водообмена. [2]
Изменения химического состава подземных вод зоны техногенеза континентальной гидролитосферы обусловливаются главными тенденциями геохимической деятельности человека. Основывая геохимию техногенеза, академик А.Е. Ферсман выделил три ее вида [224]: 1) извлечение элементов из глубин; 2) перераспределение элементов недр на земной поверхности; 3) сельскохозяйственная и инженерная перегруппировка элементов на поверхности Земли. [3]
Прогноз фильтрации в многослойной толще и изменений химического состава Подземных вод опокового горизонта при водоотборе выполнен на численной нестационарной математической модели. По результатам моделирования установлено, что через 25 лет основная часть ( 75 %) водо-отбора будет формироваться за счет перетока из четвертичного аллювиального горизонта, а остальная часть ( 25 %) - за счет привлечения воды из удаленных участков опокового. [4]
Пренебрежение требованиями, обеспечивающими качественный отбор проб из наблюдательных скважин, может привести на практике к совершенно неверным выводам о тенденциях изменения химического состава подземных вод во времени. Так, в результате предварительного анализа материалов гидрогеологических изысканий, проводившихся в одном из горнодобывающих районов КМ А [21 ], было установлено, что минерализация подземных вод, отбираемых дренажными скважинами карьеров, в целом заметно выше минерализации вод тех же горизонтов, но охарактеризованных пробами из пьезометров региональной режимной сети. [5]
При разработке вязких нефтей и битумов скважинами термических методов происходит локальное нарушение естественного термического градиента по разрезу, которое приводит к изменению химического состава подземных вод вышележащих горизонтов и ухудшению их качества. Такие инверсии температурного режима недр также являются слабоизученными, а регламентация этого вида антропогенных воздействий остается за рамками нормативных документов. [6]
Гидродинамические особенности и химический состав подземных вод месторождений должны быть сопоставлены с соответствующими данными по другим месторождениям района; на основе этого сопоставления определяются вероятные области питания и разгрузки, величины и направления изменения напоров, а также характер изменения химического состава подземных вод изучаемых водоносных горизонтов. [7]
Гидродинамические особенности и химический состав подземных вод месторождения должны быть рассмотрены и сопоставлены с соответствующими данными по другим месторождениям района; на основе этого сопоставления должны быть охарактеризованы вероятные области питания и разгрузки, величины и направление изменения напоров, а также характер изменения химического состава подземных вод изучаемых водоносных горизонтов. [8]
Например, приоритет открытия за № 134 Явление расщепления волны ( тонкой структуры) спиновой детонации по заявке от 1 февраля 1969 г. установлен, в частности, по дате защиты дипломной работы одного из авторов - 24 февраля 1958 г.; приоритет открытия под № 129 Явление изменения химического состава подземных вод при землетрясении по заявке от 14 апреля 1971 г. установлен по дате приоритета изобретения авторов - 21 февраля 1966 г. - В кн.: Открытия в СССР. [9]
Наблюдения за плотиной в течение 12 лет эксплуатации показали: следующее: 1) осадка сооружений невелика ( менее 10 5 см); 2) расход, фильтрационного потока под плотиной невелик ( около 500 м3 / сут) и остается практически постоянным; 3) процессы опреснения и изменения химического состава подземных вод под плотиной развиваются очень, медленно; 4) не наблюдается выщелачивания прослоев и линз гипса, залегающих в толще карбонатных пород. Все это свидетельствует либо-об отсутствии, либо об очень незначительном растворении гипсов, не опасном для нормальной эксплуатации сооружения. [11]
Тепловое загрязнение подземных вод проявляется в повышении их температуры за пределы допустимых норм. Этот вид загрязнения может сопровождаться изменением химического состава подземных вод , уменьшением содержания в воде кислорода, цветением воды, ростом содержания микроорганизмов. Из-за интенсивного теплообмена с горными породами тепловое загрязнение в больших масштабах проявляется редко. [12]
Необходимо также организовать систематические наблюдения за распространением промстоков по пласту и изменениями давлений в пласте коллекторе и в пластах, залегающих выше и ниже водоносных горизонтов. Особое внимание необходимо уделить наблюдениям за изменением химического состава подземных вод всех водоносных горизонтов путем отбора проб воды. [13]
Гидродинамическая характеристика и химический состав подземных вод сопоставляются по всем месторождениям района. На основании этого сопоставления устанавливаются вероятные области питания и разгрузки, величины и направления изменения напоров вод, а также характер изменения химического состава подземных вод изучаемых водоносных горизонтов. [14]
В верхней части земной коры подземная вода, движущаяся в различных толщах горных пород и, взаимодействуя с ними, растворяет и выщелачивает содержащиеся в них вещества и, таким образом, превращается в раствор сложного состава. Инфильтрующаяся в горные породы атмосферная, слабо минерализованная вода, обогащается по пути движения не только различными солями, но и органическим веществом и газами. Изменение химического состава подземных вод происходит в результате смешения вод различной минерализации, испарения и т.д. К числу основных природных условий, от которых зависит химический состав подземных вод, относятся: климатические особенности, характер почвенного слоя, состав горных пород, деятельность живых организмов.
В районах избыточного увлажнения вследствие интенсивного питания и подземного стока подземные воды слабо минерализованы. В засушливых степях наоборот.
Процесс формирования химического состава подземных вод весьма сложен. Г.Н.Каменским выделены следующие основные генетические циклы:
1. Инфильтрационный или континентальный, связанный с процессами выветривания в верхних слоях земной коры;
2. Морской или осадочный, связанный с проникновением морских вод в толщи пород в процессе осадкообразования;
3. Метаморфический и магматический.
12.2. Макрокомпоненты химического состава подземных вод
К этому понятию относят элементы, составляющие основную часть минерализации. Они определяют геохимический облик воды. В гидрохимии используют шестикомпонентный состав подземных вод:
анионы: , , ()
катионы: , , ().
Распределение макрокомпонентов с ростом минерализации следующее: в области пресных вод преобладает гидрокарбонат-ион, сульфат-ион в солоноватых и хлор-ион в соленых водах. В катионном составе пресные воды обычно кальциевые, а соленые – натриевые. Эти закономерности объясняются растворимостью соединений и , и NаСl, которые при росте минерализации ограничивают накопление соответствующих ионов.
Хлор-ион – наиболее часто содержится в подземных водах в виде соединения NaCl. Накапливаясь в океане, хлор является затем основным компонентом седиментационных вод. Для пресных подземных вод источником хлора могут быть хлорсодержащие минералы. Техногенный фактор также ведет к увеличению содержания хлора в подземных водах.
Как правило, подземные воды, предназначенные для питьевого использования, не должны содержать более 350 мг/л хлор-иона.
Сульфат-ион. Происхождение иона различно. Он может образовываться в результате выщелачивания из горных пород (гипс, ангидрит), а также в процессе окисления сернистых соединений (пирит). В питьевых водах содержание обычно не должно превышать 500 мг/л.
Гидрокарбонат- и карбонат-ион. В гидросфере их содержание гораздо ниже содержания хлора и сульфата. Причина заключается в образовании трудно растворимых карбонатов кальция и магния. Гидрокарбонатные ионы преобладают в природных водах при минерализации до 0.5 г/л. В солоноватых и соленых водах их мало.
Натрий-ион широко распространен, входит в состав многих силикатов и легкорастворимых минералов. В природных водах хорошо коррелируется с содержанием хлора. Находится в пресных соленых водах. Источником натрия являются легкорастворимые соли, морская вода и т.д. В питьевой воде не должно содержаться натрия более 200 мг/л.
Калий-ион хорошо сорбируется глинистыми минералами. Первичные калиевые минералы разрушаются медленнее, чем натриевые. В природе калий быстрее, чем натрий образует трудно растворимые соединения. Высокие содержания калия в подземных водах могут указывать на месторождения калийных солей.
Кальций-ион. В пресных водах ион кальция хорошо коррелируется с гидрокарбонат-ионом, в солоноватых – с сульфат-ионом. Основным источником кальция в подземных водах служат карбонатные породы, гипс, плагиоклазы. Кальций совместно с магнием образует важную характеристику воды – ее жесткость. Для питьевых целей используется вода с общей жесткостью до 7 мг-экв/л.
Магний-ион. Растворимость его минералов выше, чем кальциевых. Однако, в природных водах он играет подчиненную роль, его концентрация мало зависит от минерализации. Основные источники магния в пресных водах – доломит и доломитизированные известняки.
Железо в подземных водах обычно находится в закисной () или в окисной () форме. Закисные соединения неустойчивы и при доступе кислорода легко окисляются. При выпадении гидратов Fe в осадок, происходит помутнение воды (желтовато-бурая окраска). В питьевых водах допускается содержание железа до 1 мг/л.
Соединения азота. В природных водах встречаются неорганические (, , ) и органические соединения азота. Особенно высоких концентраций может достигать содержание нитратов в природных водах сельскохозяйственных районов, где используются азотные удобрения. При разложении живого вещества органический азот переходит в аммонийную форму, которая, окисляясь, переходит в нитратную.
Соединения азота в воде – индикатор загрязнения: и на свежее, а – на старое загрязнение. В питьевой воде содержание не должно превышать 10 мг/л.
Фтор – наименьшее его содержание отмечается в пресных водах с большим количеством гуминовых веществ. Резко повышены содержания фтора в термальных водах. Основным источником фтора в воде являются атмосферные осадки и фторсодержащие минералы (флюорит и др.). В питьевой воде фтора не должно быть больше 0.7-1.5 мг/л.
Бром – рассеянный элемент. Соединения брома хорошо растворимы, миграция его высока. Бром накапливается преимущественно в морской воде и рапах озер. В пресных подземных водах его содержание 5-20 мг/л. Единственный процесс выведения брома из подземных вод – это сорбция глинистыми минералами и органическими соединениями. Широко используются бромные минеральные воды. Для решения гносеологических вопросов используется Cl/Br соотношение (коэффициент).
Бор. В природных водах концентрация бора изменяется широко. Повсеместно содержание бора в щелочных подземных водах – до сотен мг/л. Основным источником бора в подземных водах являются его минералы: бораты, турмалин и др.
Стронций – его поведение в природных водах похоже на поведение кальция. В питьевой воде содержание стронция не должно превышать 2 мг/л. Более высокие содержания могут приводить к заболеваниям костной ткани.
Микрокомпоненты. К ним относятся все другие элементы. В подземных водах обнаружено около 40 микрокомпонентов. Фоновые содержания микрокомпонентов в пресных подземных водах составляют микрограммы на литр. Разнообразны формы миграции. Большинство их мигрирует в истинно растворенной форме.
12.3. Газовый состав подземных вод
Все подземные воды содержат растворенные газы. Кислород (О2) попадает в воды из воздуха и в результате химической активности быстро связывается. Часто встречается в зоне активного обмена вод. В глубинных пластах он обычно отсутствует.
Азот (N2) в подземных водах является обязательным элементом. Содержание его в водах большинства нефтегазоносных бассейнов колеблется от 10 до 400 см 3 /л. Основным источником азота в пластовых водах является органическое вещество. Другим источником газообразного азота является выделяющийся в процессе метаморфизма осадочных пород связанный азот.
Углекислый газ (СО2). Источником углекислоты в осадочных породах является органическое вещество. Углекислота вступает в реакции в осадочных породах с образованием карбонатов и бикарбонатов. Большое количество углекислоты поступает в пластовые воды в результате метаморфизма карбонатных и магматических пород.
Сероводород (Н2S) широко развит в районах минерализованных вод. В зоне гипергенеза Н2S образуется при взаимодействии сульфатов с органическим веществом, при участии сульфат-восстанавливающих бактерий.
Водород (Н + ), гелий (Не), аргон (Аr) из воздуха поступает в небольших количествах. Основным источником этих газов являются радиоактивные процессы.
Взятие лабораторных проб из глубоких подземных скважин по всей Ленинградской области показывает постепенный рост в воде содержания растворенных сульфатов, а также повышение минерализации воды. Процесс изменения химического состава воды происходит медленно и невозможно сказать, что вчера вода была такая, а сегодня стала другой, однако сравнивая результаты лабораторных анализов за последние 70 лет, можно с уверенностью говорить об общем ухудшении качества воды, которую применяют для питья. Даже в скважинах пробуренных не более 30 лет назад, вода изменила свой первоначальный состав, что не может не внушать опасений при ее дальнейшем использовании.
Причина изменения химического состава воды
Изменение химического состава в глубоких подземных скважинах происходит в результате вмешательства человека, в первую очередь это связано с разработками полезных ископаемых, когда выбирая уголь, гранит, торф, железную руду или колчеданы, человек обнажает залежи минералов, по которым до сих пор не происходило протекание подземной воды. В первую очередь это касается пирита (минерала, дисульфида железа), который после контакта с водой меняет свою структуру, одновременно растворяясь в воде. В результате окисления сульфидных минералов водой, образуется кислотная сульфатная вода. Во время взаимодействия такой воды с осадочными породами карбоната кальция или карбоната магния, происходит нейтрализация кислотности воды, при этом во время дополнительного поступления в состав воды ионов калия и магния растет жесткость воды и увеличивается ее минерализация.
Кроме изменений связанных с выработкой полезных ископаемых, химический состав воды меняется в результате несанкционированных бурений глубоких скважин, которые происходят с нарушением природоохранных мероприятий. В результате, через скважины, бурение которых проведено на ненадлежащем техническом уровне, из поверхностных слоев земли в более глубокие подземные слои попадает вода, которая отличается по своим химическим свойствам. Чаще всего попадание воды происходит на заброшенных скважинах, тампонирование которых проведено с нарушениями и на аварийных скважинах, в которых происходит попадание воды через стенки скважинных труб.
Восстановить первоначальный состав воды невозможно, и при дальнейшей эксплуатации глубокой скважины, состав воды в ней будет продолжать изменяться.
Читайте также: