9. Гидрогеохимия

Гидрогеохимия – наука о взаимодействии воды с горными породами, газами и органическим веществом, его природе, эволюции, внутренних и внешних источниках, формировании состава подземной гидросферы и ее геохимической роли в геологической истории Земли.

Гидрогеохимия возникла на стыке геохимии, гидрохимии и гидрогеологии, и ее истоки через химию и геологию уходят в глубокую древность, к работам Аристотеля и Плиния Старшего, которые уже тогда пытались разгадать причины разнообразия природных вод. Отдельные важные положения, которые в будущем легли в основу гидрогеохимии, можно найти в работах А. Аль-Бируни, Г. Агриколы, Р. Бойля, М.В.Ломоносова, А. Да Лавуазье, Ж. Ламарка, В.М. Севергина, Ж. Эли де Бомона, Э. Зюсса, Д.И. Менделеева, Ф. Кларка. Однако наибольший вклад в становление гидрогеохимии внес В.И. Вернадский. В его работе «История природных вод» (1933-1936 г.г.) обобщен с геохимических позиций накопленный к тому времени гидрогеохимический материал, заложивший основы гидрогеохимии, доказано совершенно особое положение природных вод в геологической истории Земли, возникновении и развитии жизни.

Гидрогеохимия как ветвь гидрогеологии включает в себя следующие разделы:

1) общая гидрогеохимия (особенности состава и строения подземных вод, миграция химических элементов в подземных водах);

2) генетическая гидрогеохимия (формирование состава различных генетических разновидностей подземных вод);

3) историческая гидрогеохимия (эволюция водной миграции элементов и роли воды в геологической истории, палеогидрогеохимия);

4) региональная гидрогеохимия (пространственные закономерности водной миграции элементов и формирование состава подземной гидросферы, гидрогеохимическая зональность);

5) прикладная гидрогеохимия (поиски и разработка методом выщелачивания месторождений полезных ископаемых, охрана подземной гидросферы, промышленные воды, мелиорация и т.д.);

6) экологическая гидрогеохимия и охрана подземной гидросферы.

9.1. Физические свойства и химический состав подземных вод

9.1.1. Физические свойства подземных вод

Физические свойства подземных вод являются важнейшими показателями качества, и их оценка необходима при любых гидрогеологических исследованиях. При перспективе хозяйственно-питьевого использования подземных вод оценка соответствия существующим государственным стандартам является обязательной.

Мутность и прозрачность. Мутность воды обусловлена наличием взвешенных частиц величиной более 100 нм (10^-7 м) и выражается их массой на единицу объема воды (мг/дм³). Наличие взвесей является крайне редким для подземных вод, поэтому обычно для их оценки с этой точки зрения пользуются показателем прозрачности, величина которого обратна мутности. При ориентировочной оценке прозрачность выражается предельной высотой столба воды (см) в градуированном цилиндре с плоским дном, при которой возможно чтение стандартного шрифта, расположенного на расстоянии 4 см от дна цилиндра, или виден крест с толщиной линии 1 мм. Более точно оценка прозрачности (мг/дм³) проводится фотометрическим путем сравнения со стандартными эталонными суспензиями каолина. Вода, используемая для хозяйственно-питьевого водоснабжения, должна иметь прозрачность «по шрифту» не менее 30 см и «по кресту» не менее 300 см, по стандартной шкале – не более 1,5 мг/дм³. Для визуального определения степени мутности или прозрачности воды употребляют термины: прозрачная, слабоопалесцирующая, опалесцирующая, слегка мутная, мутная и сильно мутная.

В области развития мерзлых пород, особенно весной и в начале лета, в периоды интенсивного таяния снега и льда характерно появление источников «опалесцирующих» вод. Опалесценция обусловлена наличием тонких взвесей и коллоидов гидроксидов алюминия и железа, кремнекислоты, органических веществ, т.е. частиц размерами от 1 до 100 нм, генезис которых связан с процессами вымораживания. Коллоидные системы устойчивы, прозрачность их ничтожна, поэтому в них определяют мутность. Коллоидные частицы не отделяются обычным фильтрованием и не оседают. В природных условиях коагуляция коллоидов может вызываться изменением температуры, механическими воздействиями. При очистке подземных вод от коллоидов применяют введение электролитов с противоположным зарядом ионов.

Цветность. Подземные воды обычно бесцветны. Окраску от слабо-желтой до бурой придают воде гуминовые и фульвокислоты, а также их растворимые соли, в первую очередь гуматы и фульваты окисного железа. Зеленоватую или красноватую окраску имеют воды, обогащенные соответствующими микроорганизмами, например водорослями, зеленовато-голубую – закисным железом или сероводородом. Цветность определяют фотометрически в градусах цветности по шкале стандартных растворов (смесь бихромата калия и сульфата кобальта), имитирующих цвет природной воды. Цветность, обусловленная фульвокислотами, может достигать 3000° и более.

Запах и вкус воды зависят от содержания в ней газов, минеральных и органических веществ (в том числе продуктов жизнедеятельности микроорганизмов) и могут быть как естественного, так и искусственного генезиса. Определение интенсивности запаха и вкуса проводится органолептически при температурах 20 и 60°С и оценивается по пятибалльной системе (0 – нет, 1 – очень слабая, 2 – слабая, 3 – заметная, 4 – отчетливая, 5 – очень сильная). Запах определяют в соответствии с ощущениями (гнилостный, землистый, хлорный и т.д.). Для вкуса существуют четыре основных определения: соленый, кислый, сладкий, горький. Все другие виды вкусовых ощущений называются привкусами и уточняют основные понятия, например металлический, содовый и др. Вкусовые качества воды, важные для ее использования в питьевых целях, определяют предельно допустимые концентрации некоторых элементов, нормируемые ГОСТом, несмотря на то что эти элементы не обладают выраженным токсическим действием. Например, при концентрации хлоридов натрия до 500 мг/л вода имеет сладковатый привкус, при содержании более 500 мг/л – солоноватый. При концентрации сульфатов более 500 мг/л появляется неприятный горьковатый привкус и вода приобретает слабительные свойства, при концентрации железа более 0,3 мг/л появляется терпкий или чернильный привкус и т.д. Запах сероводорода (тухлых яиц) улавливается нашими органами чувств уже при его концентрации менее 1 мг/дм³. Гидрокарбонаты кальция и магния, а также свободная углекислота придают воде приятный свежий привкус.

Температура подземных вод является одним из важнейших показателей генезиса и глубины их циркуляции. Диапазон изменения известных температур природных вод на Земле составляет около 400°С. От -5° и ниже в районах развития многолетнемерзлых пород до 100° и более в гейзерах вулканических областей и до 350–370°С в глубинных субаквальных источниках океанических впадин, в так называемых сульфидных «черных курильщиках», и на глубинах 1500 м и более в районах современной вулканической деятельности. Температура грунтовых вод в гумидной зоне обычно составляет 3–10°С, в аридной зоне до 12° и более. Артезианские воды могут достигать температуры 90–100°С и более. Из множества классификаций подземных вод по температуре (О.А. Алекин, Б.Ф. Маврицкий, Ф.А. Макаренко, А.М. Овчинников, Н.И. Толстихин и др.) приведем классификацию А.В. Щербакова (табл. 9).

Плотность чистой воды при 25°С и давлении 101,325 кПа составляет 0,99797 г/см³, она меняется в зависимости от температуры, давления, количества растворенных, взвешенных веществ и газов. Плотность рассолов в Иркутском артезианском бассейне достигает 1,5 г/см³. Определение плотности воды всегда проводят при точно измеренной температуре (ориентировочно – с помощью ареометра, точно – весовым методом) и затем с помощью температурных коэффициентов для электролитов-аналогов пересчитывают на температуру воды в пласте.

Вязкость (внутреннее трение) имеет большое значение для процесса фильтрации, особенно в слабопроницаемых породах. Единицей динамической вязкости в системе СИ служит 1 паскаль/секунда (1 Па • с) – вязкость такой среды, в которой при давлении сдвига 1 Па разность скоростей ламинарного движения жидкости на расстоянии 1 м составляет 1 м • с. В гидрогеологической литературе до последнего времени употреблялась единица вязкости 1 сантипуаз (1 сП = 10^-3 Па•с), для которой эталоном являлась вязкость чистой воды при 20°С. При 0°С чистая вода характеризуется вязкостью 1,79- 10^-3 Па•с, при 100° – 0,28- 10^-3 Па•с, т.е. в 6 раз меньше. Вязкость пара почти в 200 раз меньше, чем у воды. При одной и той же температуре рассолы характеризуются большей вязкостью, чем пресная вода. Исследования структуры и свойств воды обнаружили незакономерность изменения вязкости воды с повышением давления: в интервале температур 0–30°С она несколько уменьшается, затем длительное время практически не изменяется и начинает увеличиваться, как и у всех жидкостей, лишь по достижении давления порядка 10⁸ Па (1000 атм). Вязкость воды уменьшается с ростом температуры.

Существует также понятие кинематической вязкости (величина динамической вязкости, отнесенная к плотности), единицей измерения которой служит стокс (1 С = 1 см²/с).

Таблица 9

Классификация подземных вод по температуре (Щербаков, 1979)

Балл	Температур- ные типы вод	Степень нагретости	Шкала температур, °С	Физические и биохимические критерии температурных границ
1	Переохлаж- денные	Исключительно холодные	ниже 0	Переход в твердое состояние
2	Холодные	Весьма холодные	0-4	3,98°С –температура максимальной плотности воды
3	То же	Умеренно холодные	4-20	Единица вязкости (сантипуаз) определена при температуре 20°С
4	Термальные	Теплые	20-37	Температура человеческого тела – около 37°С
5	То же	Горячие	37-50	Оптимальная температура для роста бактерий
6	То же	Весьма горячие	50-100	Переход в парообразное состояние
7	Перегретые	Умеренно перегретые	100-200	Термометаморфизм (гидролиз карбонатов с выделением СО2, генерация абиогенного H2S и др.)
8	То же	Весьма перегретые	200-375	Процессы углефикации органического вещества и формирования углеводородов

Электропроводность. Подземные воды в зависимости от содержания тех или иных количеств электролитов обладают различной электропроводностью, которая колеблется от 3 • 10^-5 до 3 •10^-3 Ом • м для пресных вод и возрастает до 5 •10^-3–1,2 • 10⁰ Ом • м в рассолах. На этом свойстве воды основан принцип действия приборов для измерения степени минерализации воды – солемеров.

Радиоактивность подземных вод определяется содержанием в них растворенных соединений урана, радия, а также инертных газов: нерадиоактивного гелия и радона, являющегося эманацией радия. Единицей радиоактивности в системе СИ является беккерель (Бк) – активность нуклида 1 распад в 1 с. Радиоактивные свойства подземных вод по отношению к объему принято выражать в удельных единицах. Подземные воды могут содержать значительные количества радона – от 1–30 в кислых магматических породах и иногда осадочных породах до 150 тыс. Бк/дм³ в зоне окисления урановых месторождений. Воды с содержанием радона 1–70 Бк/дм³ используются в бальнеологических целях.

Содержание гелия в подземных водах в последние годы стало объектом пристального изучения. Гелий, представляющий собой продукт распада радиоактивных элементов, непрерывно образуется в земной коре и мигрирует к поверхности по относительно про­ницаемым зонам. В процессе гелиевой съемки прекрасно марки­руются разломы земной коры и узлы их пересечений, выявляются особенности строения фундамента и перекрывающих отложений. Гелий используется так же, как индикатор при поисках месторождений радиоактивных минералов.

Радиоактивность подземных вод, содержащих уран и радий, всегда связана с содержанием их в водовмещающих породах, поэтому максимальной радиоактивностью характеризуются воды кислых магматических пород, а наименьшей – осадочных пород, если последние не содержат вторичных или переотложенных радиоактивных минералов. Употребление воды, содержащей радий, недопустимо, поскольку он накапливается в человеческом организме.