Хімічний склад підземних вод

Київський національний університет імені Тараса Шевченка

Геологічний факультет

Кафедра гідрогеології та інженерної геології

 
 
 

РЕФЕРАТ

З курсу  «Мінеральні води»

На тему:

«Хімічний склад підземних вод» 
 
 
 
 

Виконала:

Студентка І-го курсу магістратури

Групи гідрогеологів

Кадельчук Юлія Василівна 

Київ-2011

 

     Зміст

     1. Складові компоненти хімічного  складу підземних вод.

      2. Макрокомпоненти.

      3. Другорядні компоненти,

      4. Мікрокомпоненти.

      5. Радіоактивні компоненти

      6. Органічні сполуки.

      7.Розчинені у воді гази.

     Використана література 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1. Складові  хімічного складу підземних вод

     У природних умовах вода не зустрічається  у хімічно-чистому вигляді. В ній  завжди знаходиться деяка кількість  речовин, з якими вона стикається у процесі кругообігу. Тому природна вода, а тим паче підземна вода завжди являє собою розчин дуже складного  вмісту.

     Під хімічним складом води розуміють  весь комплекс газів, іонів, колоїдів мінерального та органічного походження, який в  ній знаходиться у природних  умовах. У підземних водах розчинено  значна кількість різних речовин.

       В ній знайдено більше 70% хімічних  елементів із 104, що відомі на  Землі. Більша їх частина присутня  в такій малій кількості, що  не впливає на властивості  води.

       Хімічний склад води з деякою  умовністю можна поділити на 7 груп: макрокомпоненти (головні компоненти), другорядні компоненти, мікрокомпоненти, радіоактивні елементи, органічні речовини та мікроорганізми, розчинені у воді гази, колоїди та механічні суміші.

       Сума всіх виявлених у воді  хімічних елементів та сполук  при хімічному аналізі визначає  її мінералізацію.

     2. Макрокомпоненти

       Склад розчинених у підземних  водах природних сполук визначається, насамперед, складом літосфери і  поширеністю окремих складових  її елементів. Поширеність і  вміст мінеральних речовин у  підземних водах різні, у зв’язку  з чим серед них виділяються  макро і мікрокомпоненти.

     Макрокомпоненти або головні компоненти хімічного складу води включають до себе аніоногенні та катіогенні елементи, що складають розчинні сполуки.

       Вони завжди присутні у воді  і являються основною частиною  мінерального складу води: у прісній  воді – 90-95%, у високо-мінералізованій  – більше 99%. Макрокомпоненти визначають тип хімічного складу води і головніші її властивості. Представлені вони вісьмома тонами, з яких чотири – додатньо заряджені (катіони) – Ca2+, Mg2+, Na+, K+ і чотири – від’ємно заряджені (аніони) – Cl-, SO42-, HCO3-, CO32-.

       Нижче наведені короткі дані  про основні хімічні макрокомпоненти води.

     А н і о н и.

       Хлоридні іони (Cl-) – звичайний складовий компонент мінерального залишку води. Він легко переноситься водою і зустрічається у підземних водах самої різної мінералізації – від прісних до розсолів.  Відносний вміст іону і хлору у воді збільшується з ростом її мінералізації. Приблизно після мінералізації 5 г/л іон Cl- стає першим переважаючим аніоном у воді і зберігається ним аж до розсолів. Вміст його у воді змінюється в широких межах – від одиниць мг/л до сотен г/л.

       В земній корі міститься порівняно  невелика кількість хлоридів  – біля 0,2% від її маси. Хлориди  присутні у багатьох мінералах  – содаліт, апатит, слюди тощо, але існуючи джерела не змогли  б забезпечити такої кількості  хлоридів, що є у океанах з  початку їх утворення.

     Вважається, що головним джерелом накопичення хлору  є порівняно невелике, але постійне надходження їх з вулканічних (фумарольних газів).

       Джерелом надходження хлору у  підземні води є стародавні  морські басейни, кам’яна сіль, що залягає у вигляді пластів,  штоків, а також розсіяна у  вивітрілих магматичних породах.

     Причинами дуже вільної міграції іону Cl- є: а) у  нього практично відсутній бар’єр розчинності, так як з головними  катіонами він утворює добре розчинні сполуки (NaCl, MgCl2, CaCl2, KCl); б) у хлор-іону немає біологічного бар’єру – рослини і мікроорганізми його не вживають, тварини хоч і використовують у вигляді NaCl, але не зв’язують, а виділяють разом з екскрементами; в) Cl- мігрує у розчинах самої різної концентрації у вигляді вільного іону; г) він належить до числа від’ємно гідратуючих іонів, бо розупорядковує структуру води і знижує структурний тиск розчину. 

     Розпорядковуючий ефект сприяє високій рухливості Cl- в розчині. Внаслідок зниження структурного тиску, вони легко утримуються у розчині на великих глибинах. Вирішуючим у вільній міграції Cl- є перші дві групи. Сульфатні іони (SO42-) розповсюджені у підземних водах значно менше ніж хлор-іон. Він є характерним для неглибоко залягаючих водоносних горизонтів. Примірно до мінералізації 3-4 г/л відносна SO42- у розчині підвищується. Після яскраво вираженого максимуму, коли він є переважаючим аніоном у воді, його роль зменшується.

     Кількість сульфат-іону у воді коливається  від одиниць мг/л до перших десятків г/л. Високі концентрації сульфат-іону характерні для підземних вод  на ділянках сульфідних родовищ і  у приповерхневих водах. Зустрічаються зовсім безсульфатні води. Вони характеризуються високою мінералізацією і розповсюджені переважно в районах нафтових родовищ. Така особливість міграційних властивостей сульфат-іону пояснюється наступними: а) у іона SO42-чітко виражений бар’єр розчинності – вміст його у воді лімітується присутністю іону Ca2+, з яким SO42- легко утворює слабко розчинну сіль CaSO4; б) у сульфат-іону простежується біохімічний бар’єр – за допомогою сульфатредукуючих бактерій SO42- відновлюється до сірководню H2S;

       в) іон SO₄  додатньо гідратуючий іон, який сприяє підвищенню структурного тиску розчину, тому то він легко мігрує у поверхневих та приповерхневих водах; г) знаходження SO42- на великих глибинах утруднено спільною дією біохімічного бар’єру та явищем додатноьої гідратації.

     Основним  джерелом іонів SO42- у підземних водах  є осадові породи у склад яких входять гіпс і ангідрит, а також  родовища сульфідів (галеніт, піріт). Значна кількість сульфатів і особливо сірководню виділяється при виверженні вулканів.

       Гідрокарбонатні (HCO3-) і карбонатні (CO32-) іони є похідними вугільної кислоти і знаходяться з нею у рівноважному співвідношенні:

      H2CO3 =  H+ +  HCO-3 = 2H+ + CO2-3

     Зміна одного з членів цієї рівноваги тягне  за собою зміну іншого, утворюючи  карбонатну систему хімічної рівноваги.Іон HCO3- зустрічається у всіх природних водах,  окрім кислих. Переважають іони HCO3- та CO32- у водах з низькою мінералізацією. Прісні води найчастіше гідрокарбонатні.

     Міграція  іонів HCO3- та CO2-3 ще більш утруднена, ніж сульфат-іону. Максимум ролі HCO3- і CO32-, коли вони є першими переважаючими  аніонами, наступає при мінералізації 0,5 г/л. Потім відносна роль їх у розчині  різко падає. Вміст HCO-3 у воді звичайно не перевищує перші десятки мг/л  і лише в особливих випадках у  поверхневих водах може досягати 10 г/л. Іон CO32- присутній у воді іще  у меншій кількості.

       Причини утрудненої міграції HCO3- і CO32- наступні: а) у них яскраво  виражений бар’єр розчиненості – солі, що утворюються з основними катіонами слабко розчинні (максимальна розчинність CaCO3 – 1,9710-4 г/л); б) у них простежується біохімічний бар’єр – вміст HCO3- у воді залежить від кількості CO2, який у свою чергу регулюється живими організмами (чим більше CO2, тим більше HCO3-); в) схильність HCO3- і CO32- до утворення іонних пар по мірі зростання мінералізації розчину знижує концентрацію цих іонів; г) обидва іони – додатньо гідротуючі, що підвищує структурний тиск і сприяє вільній міграції тільки у приповерхневих підземних водах та поверхневих водах.

       Джерелом HCO3- і CO32- у природних  водах є різні карбонатні породи: вапняк, доломіт, мергель тощо  та карбонатний цемент багатьох  осадових порід.

     К а т і о н и

       Іони натрію (Na+) -по розповсюдженні у воді серед катіонів знаходяться на першому місті.Подібно іону-хлору,відносний вміст Na+ зростає з підвищенням мінералізації води.Першим переважаючим катіоном стає при мінералізації біля 1 г/л і залишається ним до розсолів.Тільки у дуже міцних розсолах відносна роль Na падає.

       Вміст іону-натрію у природних  водах коливається від декіль кох мг/л до сотен г/л.

       Характер такої вільної міграції  іону Na+ пояснюється наступним:

       а) у іону Na+ практично відсутній бар”єр розчинності ,з головними аніонами він утворює добре розчинні солі (Na2СО3, NaSO4, NaCl…);

       б) біохімічний бар”єр у Na+ не має великого значення (живими організмами не утримуєтся);

       в) схильність до утримання  іонних пар проявляється тільки  при високій мінералізації;

       г) іон Nа+-додатньо гідратуючий іон,але з малою енергією гідратації; оскільки Na при високих концентраціях присутній у воді разом з Cl-(від”ємно гідратуючий іон з дуже високою енергією гідратації),сумарний ефект цієї пари-від”ємний (зменшується структурний тиск ,розпорядковується структура води).

       Джерелами надходження Na+ у воду є продукти вивітрювання вивержених пород -алюмосилікатів (альбіт,плагіоклаз…).Іншим важливим джерелом Na+ служать залежі його солей, головним чином кам”яної солі,і розсіяних у породах та почвах його сполук (галіт, мірабіліт та ін.) Іони калію (К+) розповсюджені також широко,як і Na+. Солі калію (KCl,K2SO4,K2C3…) мають дуже високу розчинність;але на відміну від тону Na+,відносна роль К+ у воді знижуується  із зростанням її мінералізації. Найбільш різко це відбувається в інтервалі до 3 г/л.

       Кількість К+ у воді звичайно  не перевищує 4-5 г/л і складає  4-10 % від вмісту натрію.

       Особливості міграції К+ у воді  пояснюються наступним:

       а) іон калію має чітко виражений біохімічний бар'єр – інтенсивно споживається і зв'язується живою речовиною(накопичується у листі,насінні,плодах,посилює водоутримуючі здібності протоплазми, у тварин входить до складу крові, молока…)

       б) у К+ добре виражений сорбційний бар”єр легко переходить у адсорбційний стан,а потім і кристалічну гратку глин.

       Основним джерелом надходження  К+ у воду є вивітрилі силікати(ортоклаз,мікроклін,мусковіт).

       Іони кальцію (Са2+) мігрують у  природних водах подібно іону  НСО3-.Його відносна роль серед  інших катіонів максимальна при  мінералізації води біля 0.5 г/л.З подальшим ростом мінералізації його значення падає.

       Вміст Са2+ у природних водах  змінюється від декількох мг/л  до перших сотень г/л.

       Особливості міграції Са2+ пояснюєтся наступним:

       а) у Са2+ виражений бар”єр розчинностіі (утворює слабо розчинні солі СаС03,СаSО4),в зв”язку з чим він легко мігрує тільки у розбавлених розчинах;

       б) у Са2+ сильно проявляється  сорбційний бар”єр- інтенсивно сорбуються від”ємно зарядженими колоїдами гірських порід;

       в) у Са2+ дуже виражений біохімічний  бар”єр – він є головним елементом живої речовини (входить у тканини вищих рослин, грає важливу роль у будові скелету,складі крові);

       г) іон кальцію схильний до  утворення іонних пар по мірі  зростання мінералізації;

       д) Са2+ -додатньо гідратуючий іон ,що підвищує структурний тиск та упорядковує сструктуру води.

       Джерелом іону Са2+ у воді являються  вапняки, доломіти, гіпси, ангідрити,  продукти вивітрювання кальцій  вміщаючих силікатів.

       Иони магнію (Мg2+) розповсюджені у земній корі подібно до іону кальцію.Розчинність його солей вище ніщ у Са2+, але у хімічному складі природних вод іон Мg2+ грає підпорядковану роль.

       Іони Мg2+  присутні  майже   у всіх природних водах,але  ніколи не домінують. Причини  таких міграційних властивостей  Мg2+ у наступному:

       а) у Мg2+ яскраво проявляється  біохімічний бар”єр- магній поглинається та усвоюється рослинними організмами(приймає участь у фотосинтезі, у білковому обміні).