Геохимические классификации химических элементов

Защита подземных  вод от загрязнения в районах  шламохранилищ. Складирование отходов Пашийского металлургическо-цементного завода привело к загрязнению подземных вод в районе действующего шламохранилища. В пульпе с щелочной реакцией среды выявлены повышенные содержания Cu, Cd, Pb, Zn, Ni, Mo, As, Ti, значительно превышающие ПДК. Металлы образуют устойчивые комплексы с органическими веществами, подвижные в щелочной среде. Совместно с лабораторией ОГС МГУ предложено создание комплексного, многослойного экрана для снижения интенсивности загрязнения подземных вод. Основной слой, выполняющий функцию перехвата загрязнителей, предлагается создавать из смеси торфа и пиритных огарков, что позволяет связывать металлы в сульфиды в анаэробных восстановительных условиях. Лабораторные исследования показали, что применение метода обеспечивает защиту подземных вод от поступления загрязнителей на весь период запланированной эксплуатации.

Итак, геохимические барьеры это зоны резкого уменьшения миграционной способности каких-либо химических элементов; процесс сопровождается их осаждением из раствора и приводит к возникновению их повышенной концентрации, в том числе промышленных месторождений. В зависимости от факторов рудоотложения различают: физико-химические, механические, биогеохимические барьеры. Геохимические барьеры играют важную роль в экзогенных процессах рудообразования.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                    ГЛАВА 4.

Гидрохимия подземных  вод. Подземные воды

Подземные воды являются неотьемлимым источником потребления современного человека. Поверхностные воды, в  подавляющем большинстве своём, загрязнены, и для водоснабжения  используются преимущественно подземные  воды.

В работе я постараюсь вкратце  охарактеризовать основные типы подземных  вод, привести геохимическую зональность, выделить группы подземных вод по минерализации.

Зная состав подземных  вод, можно дать заключение об их пригодности  для тех или иных отраслей народного  хозяйства: от питьевого водоснабжения, до лечебного использования, и даже для получения полезных ископаемых.

 

 

              4.1. Общие сведения и типы подземных вод.

К подземным водам относятся  все воды, находящиеся в почвах и горных породах ниже поверхности  Земли. Они являются частью водной оболочки Земли – гидросферы, очень тесным образом связаны с поверхностными водами (реки, озёра, моря, океаны) и  водами атмосферы. Вследствие такой  взаимосвязи подземные воды участвуют  в общем круговороте воды в  природе.

По условиям залегания  и гидравлическим признакам подземные  воды верхней зоны земной коры подразделяются на :

1.безнапорные (со свободной  поверхностью),

2.напорные, или артезианские.

1.Безнапорные воды подразделяются  на три типа:

а) верховодка,

б) грунтовые воды,

в) межпластовые воды.

Верховодка образуется в пределах зоны аэрации на сравнительно небольшой глубине от поверхности Земли в результате инфильтрации атмосферных осадков. По существу это временное скопление воды на отдельных линзах водонепроницаемых пород среди водопроницаемых. Мощность водонасыщенных слоёв верховодки колеблется обычно от 0,5 до 2-3 м, редко больше. Это зависит от размера водоупорных линз и количества атмосферных осадков.

Грунтовые воды приурочены к первому от поверхности водопроницаемому слою, расположенному на первом от поверхности водонепроницаемом слое. Они могут накапливаться как в рыхлых пористых породах, так и в трещиноватых и закарстованных горных породах. Грунтовые воды по гидравлическим особенностям безнапорные со свободной поверхностью. Выше уровня грунтовых вод располагается капиллярная кайма.

Межпластовые  безнапорные воды находятся между двумя водоупорными слоями. Обычно такие воды развиты в условиях расчленённого рельефа и залегают выше базиса. Они не заполняют полость водоносного слоя и выходят в виде источников в береговых склонах оврагов и рек. В целом межпластовые воды являются проточными и по условиям передвижения аналогичны нисходящим грунтовым водам.

Напорные, или артезианские, межпластовые воды к ним относятся  подземные воды водоносных горизонтов, перекрытых и подстилающихся водонепроницаемыми пластами горных пород и располагающихся  на больших пространствах и глубинах вне сферы воздействия местных  дрен.

 

4.2.Химический состав подземных вод.

Состав подземных вод  зависит от их происхождения, а также  от степени и характера водообмена и взаимодействия с горными породами по которым они протекают. В процессе движения подземных вод происходят выщелачивание горных пород или  включений в них и обогащение вод минеральными солями. Общую минерализацию  подземных вод составляет сумма  растворенных в них веществ. Она  обычно выражается в г/л или мг/л. В глубинных водах (в погруженных  частях структур) в условиях затрудненного  водообмена происходят наибольшая концентрация растворенных веществ и значительное увеличение общей минерализации. К настоящему времени опубликовано много классификаций подземных вод по их минерализации и химическому составу. В классификации В.И. Вернадского, О.А. Алексина, А.М. Овчинникова и других выделяются четыре группы подземных вод:

 - пресные - с общей минерализацией до 1 г/л;

- солоноватые - от 1 до 10 г/л;

- соленые - от 10 до 50 г/л;

- рассолы - свыше 50 г/л.

В классификации М. С. Гуревича и Н. И. Толстихина приводится более  дробное разделение указанных групп  исходя из учета потребностей и использования  подземных вод для решения  различных задач.

Отнесение к пресным водам  обусловлено нормами ГОСТа. Слабосолоноватые воды могут использоваться для нецентрализованного  водоснабжения, орошения; соленые - для  оценки минеральных (лечебных) вод. Выделение  подгрупп рассолов необходимо для правильной оценки термальных, промышленных подземных  вод и вод нефтяных месторождений.

Основной химический состав подземных вод определяется содержанием  наиболее распространенных трех анионов - НСО^3-, S0₄^2-, Сl^- и трех катионов - Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺. Соотношение указанных шести элементов определяет основные свойства подземных вод - щелочность, соленость и жесткость. Соотношение указанных шести элементов определяет основные свойства подземных вод - щелочность, соленость и жесткость. По анионам выделяют три типа воды: 1) гидрокарбонатные; 2) сульфатные; 3) хлоридные и ряд промежуточных - гидрокарбонатно-сульфатные, сульфатно-хлоридные, хлоридно-сульфатные и более сложного состава. По соотношению c катионами они могут быть кальциевыми или магниевыми, или натриевыми, или смешанными кальциево-магниевыми, кальциево-магниево-натриевыми и др. При характеристике гидрохимических типов на первое место ставится преобладающий анион. Так, например, пресные воды в большинстве случаев гидрокарбонатно-кальциевые или гидрокарбонатно-кальциево-магниевые, а солоноватые - могут быть сульфатно-кальциево-магниевыми.

В артезианских бассейнах  наблюдается определенная вертикальная гидрогеохимическая зональность, связанная  с различными гидродинамическими особенностями:

верхняя зона - интенсивного водообмена,

средняя - замедленного водообмена,

самая нижняя (наиболее глубокая) - весьма замедленного водообмена.

Впервые на гидрогеохимическую зональность и увеличение минерализации  подземных вод, и снижение их подвижности  с глубиной указал В.И. Вернадский. По Е.В. Посохову (1975), верхняя часть  артезианских бассейнов платформ имеет  относительно небольшую мощность. Так, например, в Московском артезианском бассейне пресные воды встречаются  до глубин 200-300 м, в Днепровско-Донецком - до 500 м. Ниже располагается относительно маломощная гидрогеохимическая зона солоноватых  и слабосоленых вод многокомпонентного состава, в которых большая роль принадлежит иону SO₄^2-. Примером тому являются сульфатные кальциево-натриевые воды с минерализацией до 4,5 г/л, вскрытые буровыми скважинами в девонских отложениях Московского артезианского бассейна (на глубинах 400-600 м) и используемые в качестве лечебной "Московской минеральной воды". В более глубокой третьей гидрогеохимической зоне преобладают хлоридные воды с минерализацией 250-350 г/л и более (в Ангаро-Ленском бассейне около 600 г/л).

По мере значительного  увеличения минерализации с глубиной в хлоридно-натриевых рассолах наблюдается  рост содержания иона Са²⁺ и в наиболее погруженных частях бассейна встречаются хлоридно-кальциевые или хлоридно-кальциево-магниево-натриевые рассолы, что имеет большое значение для нефтяной гидрогеологии. В глубоких водоносных горизонтах с высокой минерализацией, помимо основных анионов и катионов, нередко содержатся йод, бром, бор, стронций, литий, радиоактивные элементы. Особенно большое количество йода, брома и бора встречается в хлоридно-кальциевых водах нефтяных и газовых месторождений, где они местами извлекаются в промышленных количествах.

Указанная гидрогеохимическая зональность характерна для ряда артезианских бассейнов. Вместе с тем  в некоторых бассейнах (Западно-Сибирском, Брестском и др.) сульфатная зона отсутствует, и пресные гидрокарбонатные воды верхней зоны постепенно сменяются  хлоридными. По-видимому, та или иная гидрогеохимическая зональность артезианских бассейнов определяется рядом природных  факторов: историей развития геологической  структуры; условиями водообмена; составом и степенью растворимости водоносных горных пород; соотношением давления и  температуры; газовыми компонентами. Именно взаимодействие различных природных  факторов и определяет изменение  минерализации и состава подземных  вод в артезианских бассейнах.

Отмечается также широтная зональность грунтовых вод, связанная  с изменениями климатических  условий и степени расчлененности рельефа при движении с севера на юг. Г.Н. Каменский, исходя из указанных  факторов и особенностей формирования грунтовых вод и их химического  состава, выделил на территории бывшего  СССР две зоны:

1. Зона вод выщелачивания  (и выноса солей), приуроченная  к гумидным областям (областям  избыточного увлажнения) с невысокими  положительными среднегодовыми  температурами. Грунтовые воды  выщелачивания формируются в  условиях преобладания подземного  стока над испарением. По мере  движения с севера на юг  изменяются глубина залегания  грунтовых вод и их минерализация  от очень пресных (больше 0,2 г/л)  к пресным (до 1 г/л) и солоноватым  (больше 1 г/л) в более южных  районах.

2. Зона вод континентального  засоления, приуроченная к аридным  (засушливым) областям (сухие степи,  полупустыни и пустыни), где выпадает  малое количество атмосферных  осадков, сравнительно высокие  температуры и испаряемость. Следовательно,  в этой зоне низка величина  инфильтрационного питания грунтовых  вод по сравнению с высокой  испаряемостью, что определяет  и низкую величину подземного стока. В этой зоне развиты преимущественно солоноватые и соленые воды, доходящие местами до рассолов.

Аналогичная классификация  приводится И.К.Зайцевым и                                 М.П. Распоповым, где, помимо широтной зональности  грунтовых вод в пределах равнинных  территорий, отмечается высотная зональность  воды горных областей.

Ниже хочу привести характеристику химического состава подземных  вод Северо-Двинского артезианского  бассейна.

Северо-Двинский артезианский бассейн. В артезианский бассейн территориально практически полностью входят Архангельская и Вологодская области и незначительными площадями Республика Коми и Ненецкий автономный округ. Артезианский бассейн выполнен мощной толщей осадочных отложений палеозоя, а в восточной части и мезозоя,  повсеместно перекрытых маломощными четвертичными образованиями. Вся осадочная толща бассейна сложена фациально-изменчивыми переслаивающимися, невыдержанными по простиранию и глубине отложениями и представляет собой единую гидравлическую систему, в которой отсутствуют регионально выдержанные водоупоры. Геоструктурной особенностью бассейна является моноклинальное залегание осадочных отложений в восточном и юго-восточном направлении, осложненное в центральной части бассейна складчатостью платформенного типа.   

 Для артезианского  бассейна характерна вертикальная  и горизонтальная гидрохимическая  зональность (как и в других  регионах Русской платформы).

Неглубокое залегание  соленых вод в Северо-Двинском артезианском бассейне связывается  с тем, что данная территория является открытыми воротами для подземного стока из водоносных горизонтов осадочной  толщи Русской платформы в  Белое море. Это подтверждает и  наличие большого числа восходящих источников минерализованных вод по долинам рек, особенно вблизи побережья  Белого моря, а также наличие соленых  вод в верхних слоях нижнекембрийских отложений, выходящих на поверхность в пределах Онежского полуострова.

В Северо-Двинском артезианском бассейне большое развитие имеют  минеральные воды со специфическими компоентами:

Железистые воды развиты как в четвертичных, так и в дочетвертичных отложениях, как в пресных, так и в солоноватых водах. Наиболее интересны железистые воды четвертичных отложений Усть-Двинской впадины (север Архангельской области). Здесь содержание железа закисного достигает 114-165 мг/л, в водах присутствует в повышенных концентрациях йод и бром. В Вологодской области в районе Грязовца в четвертичных отложениях известны железистые воды с содержанием железа 4-10 мг/л, в районе р. Виледи известны железистые источники из отложений нижнего триаса, отлагающие охру.