Бактериальный состав подземных вод кратко

Обновлено: 08.07.2024

Вода – прекрасный растворитель, поэтому в чистом виде в природе не встречается, в ней всегда присутствуют примеси. Чаще всего это растворенные соли в виде ионов, реже – коллоидные частицы, органические вещества.

Химический состав подземных вод характеризуется, главным образом, содержанием макрокомпонентов. Это те вещества, содержание которых в растворе исчисляется миллиграммами, а то и граммами в литре. К ним относятся анионы (хлор-, сульфат-, гидрокарбонат-ионы) и катионы (натрий+калий, кальций, магний).

В зависимости от баланса анионов и катионов среда подземной воды может иметь кислую, щелочную реакции, либо быть нейтральной. Это характеризуется водородным показателем – рН. Он может изменяться от 0 до 14. Если рН меньше 7, то среда кислая, а если больше – то щелочная.

Общая минерализация, или сухой остаток – это все соли, которые содержит вода. При их концентрации до 1 г/л она называется пресной. 1-10 г/л – это солоноватые воды, от 10 до 50 г/л – соленые, а свыше 50 г/л – рассолы.

Микрокомпоненты, хоть и содержатся в существенно меньшем количестве, но тоже имеют важное значение, особенно, когда речь идет о питьевом водоснабжении. Их концентрация в питьевой воде регулируется СанПиН 2.1.4.1074-01. Этот же документ устанавливает содержание бактерий и ряда органических веществ.

58. Минерализация грунтовых вод -концентрация солей в грунтовых водах. Минерализация грунтовых вод критическая — наибольшая величина концентрации грунтовых вод, которая при данных глубине и режиме орошения еще не вызывает засоления верхних горизонтов п. солями, содержащимися в капиллярно-восходящих водах. При превышении М.г.в. начинается соленакопление в п., приводящее к гибели культурных растений.

59. Карстовые процессы (условия образования, характеристика, формы поверхностного и подземного карста).

Карст представляет собой процесс растворения, или выщелачивания трещиноватых растворимых горных пород подземными и поверхностными водами, в результате которого образуются отрицательные западинные формы рельефа на поверхности Земли и различные полости, каналы и пещеры в глубине.

К растворимым породам относятся соли, гипс, известняк, доломит, мел. В соответствии с этим различают соляной, гипсовый и карбонатный карст. Наиболее изучен карбонатный карст, что связано со значительным площадным распространением известняков, доломитов, мела.

Необходимыми условиями развития карста являются:

1) наличие растворимых пород;

2) трещиноватость пород, обеспечивающая проникновение воды;

3) растворяющая способность воды.

Наибольшее разнообразие карстовых форм наблюдается в открытом типе карста (горные районы известнякового плато Крыма, Кавказа, Карпат, Альп и др.). В этих районах развитию карста благоприятствуют открытая поверхность растворимых пород и частые ливни.

К поверхностным карстовым формам относятся карры, желоба и рвы, воронки, блюдца и западины, котловины, полья, останцы.

Карры по генетическому происхождению следует различать на формы, возникшие на оголенной поверхности растворимой горной породы, и формы, образовавшиеся под почвенно-растительным покровом с последующим его удалением. Кары второго типа встречаются во многих странах мира.

Среди карстовых воронок выделяют три основных генетических типа:

1. Воронки поверхностного выщелачивания, или чисто коррозионные. Образуются за счет выноса выщелоченной на поверхности породы через подземные каналы в растворенном состоянии.

2. Провальные воронки, или гравитационные. Образуются путем обвала свода подземной полости, возникшей за счет выщелачивания карстующихся пород на глубине и выноса вещества в растворенном состоянии

3. Воронки просасывания, или коррозионно-суффозионные. Образуются путем вмывания и проседания рыхлых покровных отложений в колодцы и полости карстующегося цоколя, выноса частиц в подземные каналы и удаление через них во взмученном и взвешенном состоянии.

4. Блюдца, западины – это нечетко выраженные мелкие воронки.

Котловины. Воронки всех генетических типов, сливаясь своими краями, образуют сдвоенные, строенные и более сложные ванны и котловины. Выделяют два основных типа котловин – сложные, которые образуются при слиянии нескольких больших воронок и имеют углубления на дне, и плоскодонные котловины. Выделяют следующие генетические типы котловин: поверхностного выщелачивания, провальные, просасывания, а также созданные в комбинации с другими процессами, например, эрозионными. Крупные котловины поверхностного выщелачивания часто образуются за счет корродирующего действия талых вод снежных и фирновых пятен. Многие из таких котловин – наследие перигляциальных условий последней ледниковой эпохи.

Полье - обширная замкнутая впадина с крутыми бортами, с плоским дном, которое достигло временного или постоянного предельного уровня карстования, с гидрографией карстового типа.

Полья по своему происхождению до недавнего времени разделяли на:

2) возникшие путем подземного механического выноса нерастворимой породы, залегающей среди карстующиеся известняков или на контакте с ними,

3) образовавшиеся путем слияния группы смежных воронок и котловин (увала) при их росте в горизонтальном направлении,

Подземные формы карста.Среди подземных карстовых форм можно выделить карстовые колодцы и шахты, пропасти и пещеры.

Карстовые колодцы и шахты – это вертикальные или крутонаклонные пропасти, различающиеся между собой по глубине; к шахтам относятся пропасти глубже 20 метров, достигающие несколько десятков, а то и сотен метров.

Карстовые пропасти представляют собой комбинации естественных шахт с горизонтальными и наклонными пещерными ходами. К ним относятся, в частности, глубочайшие карстовые пропасти мира, достигающие глубины 1000 метров и более.

Самыми крупными подземными формами карстового рельефа является карстовые пещеры. Они представляют собой систему горизонтальных или несколько наклонных каналов, туннелей, сложно ветвящихся и образующих огромные залы или грот, имеющие высоту в несколько десятков метров. Пещеры между собой могут соединяться туннелями, провалами или узкими щелями. По каналам нередко протекают подземные реки, а на дне пещер располагаются подземные озера. Подземы реки не только выщелачивают соприкасающиеся с ними горные породы, но и производят большое эрозионное воздействие.

59. Карстовые процессы (условия образования, характеристика, формы поверхностного и подземного карста).

Необходимыми условиями развития карста являются:

1) наличие растворимых пород;

2) трещиноватость пород, обеспечивающая проникновение воды;

3) растворяющая способность воды.

Среди карстовых воронок выделяют три основных генетических типа:

4. Блюдца, западины – это нечетко выраженные мелкие воронки.

Полья по своему происхождению до недавнего времени разделяли на:

Подземные воды располагаются в верхней части земной коры. Их подпитывают осадки. Магматические процессы поставляют нагретые воды с веществами, а также водяной пар. Этим обусловлены различия в составе, применении подземной гидросферы.

Рассмотрим подробно в статье полный химический, бактериологический и физический состав подземных вод, а также какое воздействие он имеет на деятельность людей.

Какая применяется классификация?

Подземные воды разделяют по особым критериям – по содержанию анионов и катионов.

Выделяют две группы:

положительную катионную (магниевые, кальциевые, смешанные);
отрицательную анионную (сульфатные, хлоридные).

Состав указывается также сочетанием отрицательных и положительных ионов: например, сульфатно-гидрокарбонатная магниево-кальциевая.

Химический анализ показывает минерализацию – количество веществ в растворе.

По этому критерию А.М. Овчинников предложил восемь классов:

рассолы (воды, минерализация которых изменяется в пределах от 50 до 500 г/л);
переходные к рассолам (30-35 г/л);
повышенной солености (10-35 г/л);
соленые (3-10 г/л);
солоноватые (1-3 г/л);
с относительно повышенной минерализацией (0,5-1 г/л) ;
пресные (0,2-0,5 г/л);
ультрапресные (менее 0,2 г/л).

Дополнительную характеристику воды получают по названию микроэлементов, которые обнаружены при анализе, – бромные, радоновые и т.д.

Какой используется эталон для оценки структуры?

Чтобы оценить воды подземной гидросферы, введен особый эталон.

Его действие связано с тем, что определяется точное количество дейтерия и тяжелого кислорода.

Эталоном является стандарт океанической воды — по английской аббревиатуре SMOW.

При анализе вычисляется отклонение от эталона по содержанию дейтерия и тяжелого кислорода. Итоговый показатель фиксируется в промилле (‰).

Химический состав

Подземные воды не бывают абсолютно неминерализованными, в них обнаруживается спектр растворенных компонентов – и органика, и газы, и минеральные вещества. Благодаря им химический состав вод внутри земной коры так различен.

Ионный и солевой

Химические элементы подземных вод представлены ионами. Они вступают в реакции, образуя соли. Последние осаждаются на стенках трещин.

Но есть обратный процесс, когда твердые соли растворяются подземными водами, переходя в ионную форму. Ионы представлены макроэлементами и микроэлементами.

Микроэлементы

Иногда микроэлементов становится практически на порядок больше. Это связано с наличием морей, районов, где под действием ветра и воды происходит разрушение гранитов.

Микроэлементы ухудшают или улучшают состав вод. Они могут вызывать заболевания растений, животных, а также приносить пользу, если являются лечебным компонентом или служат показателем, что здесь можно обнаружить месторождения полезных ископаемых.

Макроэлементы

Макроэлементы преобладают в подземной гидросфере, по ним определяется ее тип (сульфатная, кальциево-магниевая и т.д.). На долю макрокомпонентов приходится 90-99 % от всех элементов.

калий, натрий, магний, кальций, алюминий, кремний, железо (их ионы заряжены положительно);
хлор, сульфаты, гидрокарбонаты, карбонаты (заряжены отрицательно).

Макроэлементы легко переходят в растворимую форму. Обогащение ими грунтовых вод объясняется разрушением пород, активностью вулканов или микроорганизмов.

Газовый

Подземная гидросфера обогащена различными газами. Их вид зависит от вмещающих пород, глубины залегания, близости очагов магмы. Приповерхностные воды обогащены кислородом, с глубиной он исчезает. Широко распространены азот, углекислый газ, метан.

Газы можно различать по происхождению:

их поставляет атмосфера (кислород);
в образовании играют роль химические реакции (сероводород, углекислый газ);
производятся растениями и бактериями (кислород, сероводород);
появляются при радиоактивных преобразованиях (аргон, гелий);
формируются в результате производственной деятельности человека (углекислый газ, метан).

Ведущая роль принадлежит азоту, углекислому газу, метану. Остальные виды образуют локальные скопления.

Органические соединения

Органические компоненты приносят пользу и вред: некоторые их виды загрязняют подземные воды, другие делают лечебными или служат для обнаружения углеводородов. Органика отличается составом и происхождением. Она поступает из почв, пород, нефтеносных слоев.

На углерод, водород и кислород приходится более 90 % от всех элементов. На азот, серу, фосфор, металлы – до 10 %.

Бактериологический

Для подземных вод характерно существование различных бактерий, как безвредных, так и болезнетворных. Приповерхностные слои обогащены бактериями, разлагающими белки живых организмов. Это ухудшает качество вод. Однако микроорганизмы способны жить на глубинах до 3 км.

Там они играют иную роль:

производят сероводород,
углекислый газ,
метан,
азот,
водород.

Вступая в реакции, эти газы образуют рудные минералы, углеводородное сырье. Также есть бактерии-окислители, выделяющие кислород.

В капле воды может содержаться до 200 тысяч микроорганизмов одного или нескольких видов. Наиболее благоприятный температурный режим для их развития – примерно 40-80 о С. Однако некоторые виды активны при -3 о С и +100 о С. Высокая минерализация тоже не является препятствием для их существования.

Физические свойства H2O, исходя из данных о химсоставе

Физические свойства подземных вод взаимосвязаны с их химическим составом.

Главными являются:

прозрачность;
цветовые характеристики;
температурные особенности;
своеобразие запаха;
вкус.

Отсутствие органики в подземных водах повышает их прозрачность. Желтоватая и бурая окраска появляется при наличии органических соединений. Железо, сероводород дают зеленоватые оттенки.

Подземные воды не замерзают до отрицательных температур в приповерхностной зоне, а в областях с активной магматической деятельностью прогреваются до 300-400 градусов. Высокая минерализация препятствует превращению воды в лед, ее замерзание начинается ниже -5 о С.

Запах зависит от наличия газов (сероводорода). Соленый вкус отмечается, если есть хлор, горький – магний, сладковатый – органические компоненты.

Влияние химической структуры на деятельность человека

В зависимости от химических особенностей H2O различается и их практическое применение:

для извлечения полезных компонентов (йод, бром);
для удобрения растений;
как поисковый признак, указывающий на месторождения нефти, газа.

При отсутствии бактериальных примесей пресные и ультрапресные воды важны как источник питьевой воды.

Заключение

Состав подземных вод влияет на использование их в народном хозяйстве. Они могут приносить как пользу, так и вред.

Наличие бактериальных компонентов ухудшают качество воды, делая ее непригодной для использования в питьевых целях. Полезные элементы повышают ценность подземных вод. Их можно использовать в медицине, геологии, сельском хозяйстве.

Анализы газов, растворенных в подземных водах, производятся редко. Однако газы играют большую роль в гидрогеологических процессах. Газы, выделяющиеся из раствора, образуют пузырьки, которые препятствуют движению воды в водоносных горизонтах, особенно вблизи скважин. Некоторые растворенные газы, такие, как кислород и двуокись углерода, сильно влияют на химический состав воды, другие отрицательно действуют при использовании воды. Например, метан, выделяясь из раствора, может скапливаться и вызывать пожар или взрыв. Растворенный кислород вызывает коррозию металлов. Концентрация сероводорода, превышающая 1 ч. на 1 млн., делает воду непригодной из-за неприятного запаха. Присутствие сероводорода также способствует росту некоторых бактерий, кольматирующих фильтры скважин и трубы.

Растворимость большинства газов в воде прямо пропорциональна давлению и обратно пропорциональна температуре. Действие температуры на растворимость некоторых газов видно из табл. 4.3.

В большинстве подземных вод растворенные газы имеют концентрации от 1,0 до 100 ч. на 1 млн. Более высокое содержание газов возможно в специфических условиях. Из воды некоторых скважин выделяются большие количества метана, сероводорода и углекислого газа. Вероятно, эти газы находятся в такой воде под давлением в несколько атмосфер. Вода, просачивающаяся через разлагающиеся органические остатки, может содержать большие количества растворенного аммиака, который, вероятно, быстро окисляется до нитрата. Аммиак имеется также в воде некоторых термальных источников.

Растворенные газы в дождевой воде и воде рек с водопадами находятся почти в равновесии с атмосферными газами (табл. 4.3). Если такие поверхностные воды инфильтруются непосредственно в сильно проницаемые водоносные породы, растворенные газы сохраняют свою первоначальную концентрацию. Однако в большинстве случаев вода, прежде чем пропикнуть в водоносные горизонты, инфильтруется в почву и подстилающие ее породы. Содержание кислорода в инфильтрующейся воде уменьшается вследствие окисления минералов, деятельности микроорганизмов и диагенеза органического вещества. При повышении температуры газ выделяется из воды, при охлаждении воды в процессе инфильтрации в раствор поступает дополнительное количество газа. Концентрация метана, сероводорода, аммиака и других газов может увеличиться в области питания, в связи с чем устанавливается новое равновесие газов в растворе. Количество азота в воде снижается некоторыми бактериями. В результате описанных процессов содержание газа в воде при поступлении ее в водоносный горизонт на значительных площадях существенно отличается от содержания газа в поверхностных водах.

При достижении инфильтрующейся водой зоны полного насыщения концентрация газа в воде остается относительно постоянной, особенно если вода находится под артезианским напором. Однако небольшие изменения в содержании газа в подземных водах происходят вследствие медленного окисления минералов и, вероятно, деятельности микроорганизмов на глубине.

Концентрации инертных газов, к которым относятся гелий, аргон и неон, очень чувствительны даже к незначительным изменениям в содержании различных газов подземных вод. Сугисаки использовал эту особенность для определения первоначальной температуры подземной воды в период, когда она просачивается из русла реки в проницаемый водоносный горизонт. Поскольку высокое содержание аргона указывает на низкую температуру, а низкое содержание — на высокую температуру в период питания, можно найти слои зимней и летней воды, расположенные вниз по потоку от области питания, и определить скорость движения воды (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Содержание аргона в подземных водах около Такада, Япония.

Температура воды в момент питания определяется по содержанию аргона. Ориентировка разреза совпадает с направлением движения подземных вод. Расстояние между минимальными температурами соответствует пути (более 2 км), проходимом подземными водами за один год.

С течением времени подземные воды обогащаются гелием и в меньшей степени — аргоном, поскольку радиоактивный распад урана и тория продуцирует гелий, а калий-40, распадаясь, дает аргон. Быстро циркулирующие подземные воды постоянно уносят в небольших количествах гелий и аргон, которые выделяются из пород, контактирующих с водой. Малоподвижные подземные воды больших артезианских бассейнов и почти неподвижные погребенные воды отличаются повышенной концентрацией, по крайней мере гелия и, возможно, аргона. Судя по относительной распространенности гелия в атмосфере по сравнению с его природными запасами, соотношение гелия и аргона должно увеличиваться от примерно 0,0005 в поверхностных водах до 1,0 в некоторых соленых водах, находящихся в контакте с месторождениями газа.

Искусственно закачиваемый в скважины гелий успешно применяется в качестве индикатора движения подземных вод. Он безвреден в биологическом отношении и инертен, т. е. не вступает в химические реакции с водой и породами водоносного горизонта. Широкое применение гелия как индикатора осложнено необходимостью использовать специальное аналитическое оборудование.

Бактериальное загрязнение связано с появлением в подземных водах болезнетворных бактерий, что может являться причиной массовых случаев, главным образом кишечных заболеваний при использовании загрязненных вод в хозяйственно-питьевых целях. Большинство болезнетворных (патогенных) бактерий, по имеющимся оценкам, сохраняют свою жизнедеятельность короткое время (максимально до 1000 суток), поэтому бактериальное загрязнение, как правило, не распространяется на значительные расстояния и носит временный характер.

К сожалению, в настоящее время существуют ограниченные данные о выживаемости и распространении болезнетворных бактерий и вирусов в условиях водоносных горизонтов.

Бактериальное загрязнение, как правило, наиболее интенсивно проявляется в первом от поверхности (грунтовом) водоносном горизонте.

Очаги загрязнения чаще всего связаны с полями ассенизации и фильтрации, скотными дворами, выгребными ямами, неисправностями канализационных сетей, участками сброса канализационных стоков в поверхностные воды или закачки их в поглощающие колодцы и скважины и т.д.

Кроме содержания кишечной палочки производится оценка общего количества бактерий в 1 мл воды, а в случае подозрения на бактериальное загрязнение воды - определение содержания болезнетворных бактерий, кишечных вирусов и яиц гельминтов.

Основы инженерной геологии.

Объектом изучения инженерной геологии являются грунты – почвы и горные породы любого состава и генезиса, изучаемые как основания фундаментов различных инженерных сооружений, как среда и материал для их возведения, а также инженерно-геологические процессы и явления. Основными задачами всех выполняемых исследований являются изучение и оценка инженерно-геологических свойств горных пород (физических, механических, водных, коллоидно-химических и др.), т.е. свойств, которые определяют поведение горных пород при использовании их в качестве объектов инженерно-строительной деятельности.

Свойства грунтов определяют и условия ведения горных работ. В зависимости от прочности, трещиноватости, выветрелости, липкости грунтов выбирают технологию и способ ведения горных работ. Для оценки водопритоков в горные выработки, а также эффективности работы водопонижающих систем определяют фильтрационные свойства грунтов. Расчет устойчивости сводов подземных выработок проводится на основании показателей прочности грунтов на сдвиг и разрыв.
Состав, структура (обусловлена характером внутренних связей, размером, формой, расположением и количественным соотношением основных структурных элементов) и текстура (совокупность признаков, характеризующих пространственное расположение структурных элементов грунта) определяют качество грунтов при их использовании.
При оценке грунтов, в связи с инженерной деятельностью, применяются различные классификации, среди которых важное значение имеет их общая инженерно- геологическая, разработанная группой ученых и принятая в 1957 г. Совещанием по инженерно-геологическим свойствам пород, которая базируется на основных физических свойствах грунтов, отношении к воде и главнейшим техническим показателям.

нженерно- геологическая классификация грунтов
На основании вышеперечисленных показателей грунты подразделяются на следующие группы: а) скальные грунты - изверженные, метаморфические и осадочные с жесткой связью между зернами (спаянные и сцементированные), залегающие в виде сплошного массива. Прочность скальных грунтов высокая. Предел прочности на сжатие у магматических пород изменяется от 800 до 3500 кГс/см2. У метаморфических пород он колеблется от 400 до 2500 кГс/см2, у осадочных – от 200 до 1200 кГс/см2. При такой прочности от давления инженерных сооружений эти грунты не сжимаются. Водопроницаемость скальных грунтов зависит от степени их трещиноватости и пористости.
Кроме прочности на сжатие к одним из основных свойств скальных грунтов относятся сопротивление их сдвигу и водопроницаемость. Водопроницаемость скальных грунтов зависит от степени их трещиноватости и пористости. Монолитные скальные породы практически водонепроницаемы.
б) полускальные грунты - также обладают жесткими структурными связями. К ним относятся трещиноватые и выветрелые скальные грунты, в основном осадочные и некоторые метаморфические горные породы. К практически нерастворимым полускальным грунтам относятся опоки, трепелы, диатомиты, алевролиты, аргиллиты, глинистые и некоторые сланцы. Растворимыми грунтами являются гипсы, ангидриты, трещиноватые известняки и доломиты, каменная соль, известковые туфы.
Полускальные грунты достаточно прочны. Предел прочности на сжатие у них колеблется от 50 до 500 кГс/см2. У выветрелых, трещиноватых и закарстованных разновидностей он снижается до 20-25 кГс/см2. В направлении сланцеватости и слоистости прочность их также снижается. Водопроницаемость обусловлена первичной пористостью и вторичной трещиноватостью, кавернозностью, величина которой определяется главным образом размером трещин и карстовых пустот.
в) грунты с мягкими структурными связями. К таким грунтам относятся осадочные глинистые, пылеватые и смешанные породы (глины, суглинки, лёсс, супеси), илы. Свойства этих грунтов определяются их гранулометрическим и минеральным составом, структурой и текстурой. Пористость их обычно высокая до 50-60 %, но водопроницаемость либо незначительна, либо практически отсутствует. Характерной особенностью мягких грунтов является изменение свойств грунта в зависимости от влажности (набухание, пластичность, липкость, просадочность и др.).
г) грунты, не имеющие структурных связей. Эта группа представлена рыхлыми, несвязанными грунтами (гравий, галечник, дресва, щебень, различные пески). Прочность их обусловлена силами трения, пористостью, размерами, формой, составом обломков и уменьшается при увлажнении.
При статических нагрузках слабо или практически несжимаемы.
Рыхлые несвязные грунты не обладают пластичностью, но некоторые разновидности, насыщенные водой могут переходить в плывунное состояние. Обычно водопроницаемы, не влагоемки или слабовлагоемки, обладают капиллярными свойствами. Пористость их 35-40 % иногда 40-50 %, угол внутреннего трения 30?-35?.
д) искусственные грунты. Искусственные грунты – это грунты, сформировавшиеся в результате деятельности человека. Они подразделяются на культурные – сформировавшиеся на месте древних и современных поселений человека и техногенные образования. Последние возникли и формируются под действием инженерной деятельности человека (терриконы, грунты в теле дамб, насыпей, шлаковые отходы и др.).
По составу они обычно связные или слабосвязные.
В заключение следует отметить, что грунты всех классов со временем могут изменяться под действием природных геологических факторов и деятельности человека. При этом свойства грунтов, как правило, ухудшаются.

Под химическим составом природных вод принято понимать весь сложный комплекс газов, коллодов минерального и органического происхождения.

Воды, бедные йодом, влекут базедову болезнь (увеличение щитовидной железы). Наличие болезнетворных бактерий, некоторых классов органических веществ (фенолов, бензола и др.), тяжелых металлов влияет на санитарно-гигиеническую оценку подземных вод. Применение минеральных лечебных вод основано главным образом на содержании в них различных физиологически активных компонентов химического и газового состава.

Многие подземные воды содержат некоторые ценные компоненты в таких количествах, что их извлекают из вод в промышленных масштабах. Такие воды называются промышленными. Так, весь добываемый для использования в народном хозяйстве йод извлекают из подземных (йодных) вод, также из подземных (бромных) вод получают большую часть брома. В настоящее время весьма перспективным является комплексное извлечение из промышленных подземных вод таких химических элементов, как стронций, бор, литий, германий, рубидий, цезий и др.

Очень важно знать химический состав вод, используемых при орошении земель, так как их общая минерализация, содержание в них ряда компонентов влияют на развитие сельскохозяйственных культур, засоление почв.

Применяемый в настоящее время в геолого-поисковой практике гидрохимический метод поисков рудных и нефтегазовых месторождений основан на изучении закономерностей распределения в подземных водах их минеральных и органических компонентов, определении их газового и бактериального состава. Изучение химического состава вод и прогноз его изменения необходимы при разработке месторождений полезных ископаемых, а также при различных видах строительства, чтобы своевременно предусмотреть меры против коррозии бетона и металла посредством воды. По мере накопления знаний о составе и свойствах подземных вод будет расширяться и область теоретического и практического их применения.

Ионный и солевой состав

Ионный и солевой состав. В природных водах обнаружено более 80 химических элементов, среди них макроэлементы (макрокомпоненты), определяющие химический тип воды, микроэлементы (микрокомпоненты), а также газы, органические соединения и микрофлора. Они находятся в воде в виде ионов (катионов и анионов), простых и комплексных молекул, коллоидов. Сумма всех найденных при химическом анализе воды минеральных веществ (в мг/л и г/кг) называется минерализацией воды.

Макроэлементы

Наиболее широко распространены Сl - , HCO - ₃, СО₃ 2 - , SO₄ 2- , Na + , К + , Са 2+ , Mg 2+ , которые часто называют главными; их разнообразные сочетания определяют основные типы природных вод.

В природных водах содержатся также ионы ОН - , F - , NO - ₃ , NO - ₂ , Н + , NH + ₄ , Fe 2+ , Mn 2+ , Sr 2+ и некоторые микроэлементы — йод, бром, бор, медь, свинец, мышьяк, барий, хром и т.д.

Микроэлементами называют те химические элементы, которые находятся в водах в количестве 3+ , А1 3+ и другие металлы. Необходимо подчеркнуть, что малое содержание в водах таких элементов, как Si, Аl и Fe, широко распространенных в горных породах, объясняется их малой подвижностью и растворимостью; наоборот, Сl - и Na + весьма подвижны и хорошо растворимы (Кирюхин, Толстихин, 1987).

Наиболее изучены йод, бром, фтор, бор, кремний, железо, алюминий, медь, цинк, свинец. Многие из микроэлементов, хотя и не определяют химического типа воды, являются специфическими для определенных геолого-гидрогеологических условий. Например, для вод нефтегазовых месторождений характерны йод, бром, бор, стронций, содержание которых может достигать сотен и более мг/л. Для вод рудных месторождений характерны медь, молибден, мышьяк, никель, железо, олово, ртуть, свинец, серебро и др.; содержание их обычно составляет единицы и десятки мг/л, но может достигать и сотен мг/л.

Главными ионами являются следующие.

Хлор-ион Сl - . Он находится в воде в виде соединений хлористого натрия. Главный компонент солоноватых, соленых и рассольных вод — хлор вызывает засоление почв и грунтовых вод, вреден для растений. Если присутствие хлора в подземных водах обусловлено растворением каменной соли морского происхождения, то такая вода не опасна в санитарном отношении, а только может иметь соленый привкус. Хлор-ион может иметь и эндогенное происхождение (выделение при вулканических извержениях), он также не опасен в санитарном отношении. Если же в густонаселенных районах в неглубоко залегающих грунтовых водах при отсутствии каменной соли обнаруживается повышенное содержание хлора, то это указывает на загрязнение вод, и употребление таких вод для питьевых целей не разрешается.

Сульфат-ион SO₄ 2- в соединениях с кальцием и магнием обусловливает жесткость воды (постоянную), засоляет почвы и грунтовые воды, ядовит для растений. Происхождение ионаSO₄ 2- в водах различно: выщелачивание гипса или ангидрита в осадочных толщах морского происхождения, окисление сульфидных минералов (преимущественно пирита) в песчано-глинистых отложениях, разложение диоксида серы и H ₂ S, а также загрязнение сточными водами.

Гидрокарбонатный ион HCO - ₃ очень широко распространен в водах. Его появление вызывается растворением карбонатов Са 2+ и Mg 2+ . Гидрокарбонатный ион обусловливает щелочность подземных вод. Карбонатные соединения в подземных водах при обычных температурах и давлении труднорастворимы. На рост растений и плодородие почв углекислые соединения оказывают различное воздействие: так, поташ К ₂ С0 ₃ полезен для растений, сода Са ₂ С0 ₃ • 10Н₂0 вредна, а кальцит СаС0 ₃ — нейтрален. Содержание карбонатного иона в водах, используемых для питьевых и оросительных целей, не лимитируется.

Натрий-ион Na + широко распространен в подземных водах и сопутствует главным образом иону хлора (в солоноватых и соленых водах), реже он связан с сульфатным и гидрокарбонатным ионами. Однако в пресных водах (до 1 г/л) он часто присутствует в виде соды. Все соединения натрия вредны для растений.

Калий-ион К + . Содержание этого иона в подземных водах намного меньше, чем натрия, хотя процентные содержания этих элементов в земной коре (кларки) близки (Na — 2,83; К — 2,59). Это объясняется главным образом тем, что калий хорошо усваивается растениями, являясь одним из главных источников их питания, а также легко поглощается глинистыми минералами.

Кальций-ион Са 2+ и магний-ион Mg 2+ очень широко распространены в водах, они обусловливают важное свойство вод — их жесткость. Источником Са 2+ в подземных водах являются известняки, гипс, минералы-алюмосиликаты. Ионы магния поступают в воду при растворении доломитов, мергелей, слюд, амфиболов. В пресных водах обычно Са 2+ доминирует над Mg 2+ , что объясняется преобладанием в породах Са 2+ над Mg 2+ и большей энергией удержания при адсорбции.

Железо. Валентность железа различна; Fe 2+ ± Fe 3+ — эта реакция широко распространена и имеет большое значение В водах железо присутствует в закисной форме в виде иона Fe 2+ , окисной — в виде иона Fe 3+ и коллоидов. Оксидные формы железа неустойчивы, в присутствии кислорода легко окисляются. Процесс окисления происходит при участии бактерий.

В водах с нейтральной реакцией (pH ~ 7) железо малоподвижно, а в кислых (pH 7 ) оно легко переходит в раствор и выносится из породы (так называемый подзолистый тип почвообразования). Соединения железа придают воде неприятный вкус и чернильный оттенок. В питьевых водах допустимый предел содержания соединений железа — до 0,3 мг/л.

Газовый состав

Газовый состав. Практически все подземные воды содержат то или иное количество растворенных газов. По закону Генри их количество по массе прямо пропорционально давлению газа (или парциальному давлению в смеси газов). Основными газами являются 0₂, N₂, С0₂, H ₂ S, Н₂, СН₄. В большинстве случаев по массе преобладают один или два, редко три газа.

Большое геохимическое значение имеет кислород, содержание которого уменьшается с глубиной. Кислород расходуется на окисление минеральных и газовых компонентов воды, а также на образование сложных кислородсодержащих ионов SO ₄ - , HCO₃ - , СО₃ 2- и др.

Углекислый газ очень химически активен, с водой и ее компонентами он вступает в многочисленные реакции, участвует в равновесии С0 ₂ — С0₃ 2- — HCO - ₃; характерен для углекислых минеральных вод, в которых его количество достигает нескольких г/л. Азот содержится во всех водах и составляет до 95—99% общей газо- насыщенности вод.

Сероводород характерен для глубоких вод, иногда его содержание достигает нескольких сотен мг/л (Мацеста); он является важным агентом химических реакций, участвует в равновесии H ₂ S - SO -2 ₄ - SH .

Углеводородные газы (метан, этан, пропан, бутан и др.) всегда насыщают воды нефтегазовых месторождений. Метан часто преобладает над другими газами, образуя метановые воды с газонасы- щенностью до 10 ООО мл/л. Водород менее изучен; он иногда составляет 25—30% общего количества растворенных газов.

Помимо основных вышеназванных газов в подземных водах могут присутствовать инертные газы (неон, аргон), гелий, эманации радия и тория, а также СО, НСl, HF, S0₂, Cl, S, NH₃. Большой интерес представляют так называемые фумарольные термы областей современного вулканизма, содержащие газы сложного состава (НСl, HF, СО, С0₂, H ₂ S, S0 ₂ и др.). Воды, содержащие значительное количество углекислоты, большей частью имеют кислую реакцию; воды, содержащие кислород, действуют как окислители, а содержащие сероводород — как восстановители.

Кислород 0 ₂ содержится в подземных водах в довольно значительных количествах (до 14 мг/л). Обогащение подземных вод кислородом происходит при фотосинтезе. К процессам, уменьшающим содержание растворенного кислорода, относятся реакции, связанные с его потреблением на окисление различных веществ, в частности органических, загрязняющих воду, а также брожение, гниение и т.д.

Углекислота С0₂, присутствующая в воде в виде растворенного углекислого газа, носит название свободной. Просачиваясь в горные породы, вода обогащается углекислотой, образующейся в результате разложения органических соединений при участии микроорганизмов.

Коллоидный состав

Коллоидный состав. В коллоидном состоянии в воде присутствуют гидроксиды железа Fe(OH )₃ и алюминия А1(ОН)₃, кремне- кислота Si0 ₂ и органические соединения. Эти вещества образуют неустойчивые коллоидные растворы (золи), которые выделяют коллоидно-растворенное вещество в виде гелей.

Органические соединения

Органические соединения весьма широко распространены в подземных водах. Это представители всех химических групп (углеводы, белки, жиры) и таких органических соединений, как углеводороды, спирты, гумусовые вещества, гуминовые кислоты, карбоновые кислоты.

Общее содержание С_орг колеблется от 25 до 40 мг/л. При этом грунтовые воды аридных зон содержат 20—25 мг/л С_орг, гумидных — 35 мг/л, а глубокие напорные воды — до 40 мг/л. Эти вещества представляют собой неустойчивые химические соединения сложного состава (гуминовые вещества, гуминовые кислоты). Гумусовые вещества неядовиты и с гигиенической точки зрения безвредны, они придают воде характерные свойства — желтый цвет, затхлый запах и сладковатый вкус.

Микрофлора

Микрофлора. Бактерии обнаружены в подземных водах, расположенных на глубине до нескольких километров. В зоне активного водообмена наиболее распространены гнилостные и болезнетворные бактерии и сапрофиты, разлагающие вещества белкового характера и загрязняющие воду. В глубоких водах развиваются такие группы бактерий, как сульфатредуцирующие, метанообразующие, денитрифицирующие и др. В результате жизнедеятельности бактерий образуются многие газы: H ₂ S, С0₂, СН₄, N₂, Н ₂ и др. Многие бактерии способствуют окислению минеральных и органических веществ, газов. Это тионовые и серобактерии, бактерии, окисляющие водород, метан, гептан и др. Большая часть бактерий относится к термофилам, активно развивающимся при температуре более 37°С.

Предел температуры, при которой еще может протекать, хотя и в ослабленном виде, жизнедеятельность организмов, составляет 75—80°С. Существует ряд бактерий, способных развиваться при минерализации воды до 300 г/л. Число бактерий колеблется от 10 до 500 тыс. клеток в 1 мл воды. В особо благоприятных условиях их количество может достигать 2 млн клеток в 1 мл воды.

Читайте также: