9.4. Гидрохимическая зональность подземных вод
9.4.1. Особенности химического состава подземных вод
Подземные и поверхностные воды составляют части единой системы вод нашей планеты (гидросферы). Подземная гидросфера тесно связана с поверхностной, чем ближе к поверхности, тем, как правило, более тесной является эта связь. Грунтовые воды в наибольшей степени связаны с поверхностными водами суши и более подвижны, чем напорные воды глубоких водоносных горизонтов.
По условиям формирования химического состава, Г.Н. Каменский выделил на территории бывшего СССР грунтовые воды выщелачивания и грунтовые воды континентального засоления.
Грунтовые воды выщелачивания формируются в областях избыточного увлажнения или в областях умеренно влажных, но характеризующихся наличием хорошо проницаемых пород, высокой динамичностью вод и активным дренажем. Общая минерализация грунтовых вод большей части этой зоны не превышает 1 г/л, она увеличивается с севера на юг от нескольких десятков миллиграммов на 1 л до 1 г/л, состав обычно НСО3–Na, НСО3–Са. В южных районах зоны избыточного увлажнения могут встречаться грунтовые воды состава SО4–Cl–Na, SО4–Cl–Са с минерализацией более 1 г/л. Для описываемой зоны характерны повышенные концентрации органических веществ, растворенных в водах (Сорг до 35 мг/л). Это объясняется относительно низкими среднегодовыми температурами и тесной связью грунтовых вод с болотными и другими поверхностными водами, обогащенными продуктами полного разложения остатков наземной растительности. Такие воды имеют повышенную цветность и содержат в составе гуминовые и фульвокислоты.
Грунтовые воды континентального засоления формируются в условиях аридного климата на территориях пустынь, полупустынь и сухих степей. В таких районах наблюдается значительно большее разнообразие химических типов воды. Здесь встречаются пресные, солоноватые и соленые воды – гидрокарбонатно-сульфатные, сульфатно-хлоридные и хлоридные. В условиях континентального засоления происходит интенсивное испарение поверхностных вод, которые в этих районах также минерализованы. Состав водно-растворимого органического вещества обеднен, его концентрация не превышает 20–25 мг/л. В этих водах происходит более полное разложение растительных и животных остатков, попадающих в грунтовые воды с поверхностным стоком. Воды обычно бесцветны, рН превышает 7. Нередко воды обогащены Вг, В, I, F и некоторыми другими микроэлементами.
В распределении вод аридных областей по составу и минерализации большую роль играют такие факторы, как рельеф и состав водоносных пород. В. С. Самариной при изучении Прикаспийской низменности было установлено существенное различие в составе грунтовых вод в пределах отрицательных форм рельефа: падин, балок, речных долин и соров. Например, под падинами (понижениями площадью до нескольких сотен квадратных метров и глубиной до 1 м), через которые происходит питание грунтовых вод, зеркало вод располагается выше окружающих участков, и пресные воды в таких понижениях занимают центральные, наиболее углубленные части. Минерализация вод (до 35 г/л) нарастает к периферии по мере углубления пластов. Меняется и состав вод – от гидрокарбонатного через сульфатный к хлоридному.
В сорах (более глубоких понижениях), служащих часто местным базисом эрозии для грунтовых вод примыкающих участков, наоборот, в центре углубления образуются наиболее концентрированные воды (с минерализацией до 200 г/л). По вертикали вниз и к периферии минерализация вод уменьшается до 35 г/л и менее. На участках образования и скопления рассолов распространены солончаки, имеющие состав Cl–SО4 –Na или SО4–Cl–Na.
В связи с тем, что грунтовые воды залегают близко к поверхности земли, они легко загрязняются. Основными видами загрязнения являются: коммунально-бытовое, промышленное, химическое и сельскохозяйственное (удобрения, пестициды, отходы животноводческих комплексов), а также радиоактивное. Признаками загрязнения грунтовых вод служит появление в них специфических ионов и компонентов. Например, присутствие в повышенных количествах нитрит-иона и иона аммония может свидетельствовать о проникновении бытовых и фекальных стоков, наличие хлорорганических и фосфорорганических соединений – о фильтрации с пестицидов, обнаружение в воде трития и других радиоактивных веществ может указывать на радиоактивное загрязнение и т. д.
Загрязнение подземных вод сопровождается различными геохимическими последствиями – изменениями миграционных форм химических элементов, концентраций элементов, окислительно-восстановительных условий, а также возникновением новых типов вод, в том числе техногенных гидрогеохимических провинций нитратных и аммонийных грунтовых вод в сельскохозяйственных регионах. Изменение миграционных форм элементов может обусловливать приобретение ими новых биохимических свойств. В частности, при снижении Eh подземных вод менее токсичные NO3, As (V) трансформируются в более токсичные формы NH4, As (III). Особая потенциальная опасность связана с развитием процессов метилирования многих тяжелых металлов и накоплением в подземных водах, например, метилированных соединений ртути (CH3)2Hg; мышьяка (CH3)4As; свинца (СН3)2РЬ; олова (CH3)4Sn и др.
В настоящее время в загрязненных подземных водах количество наименований обнаруживаемых органических веществ достигло нескольких десятков тысяч; многие из них активно вступают в процессы комплексообразования. Важной проблемой охраны подземных вод от загрязнения является исследование условий, способных геохимически противостоять поступающим загрязняющим веществам и переводить их в твердую фазу. Основой буферности подземных вод является их способность сохранять оптимальные Eh – рН-состояния, которые препятствуют накоплению в них компонентов антропогенного происхождения. Как следует из результатов специальных гидрогеохимических исследований, подземные воды могут обладать высокой буферностью в отношении многих неорганических компонентов за исключением минеральных соединений азота, и значительно меньшей – в отношении органических веществ.
Источники поступления загрязняющих веществ в грунтовые воды должны быть ликвидированы или изолированы.
Напорные воды, так же как и грунтовые, характеризуются разнообразием химического состава. Обычно выделяют воды пресные (с минерализацией до 1%о), солоноватые (до 10 %о), соленые (до 35 %о) и рассолы (более 35 %о). По некоторым классификациям к рассолам относятся воды с минерализацией более 50 %о. Диапазон изменения минерализации вод напорных горизонтов весьма велик: от нескольких долей грамма до 650 г на 1 л. (см. раздел 9.1)
Пресные воды встречаются в области питания, где происходит инфильтрация вод поверхностного стока в пласты, а также в зоне создания напора, если в этой зоне происходит активный водообмен (зона активного водообмена), то есть движение вод от области питания к области разгрузки. По составу эти воды обычно НСО3 – Са, HCО3–SО4–Са, SО4–НСО3–Са и близки к составу поверхностных вод (речных, озерных). В пресных водах нередко присутствуют микроэлементы (Sr, Li, Mn, Fe, Si, Al, Ca, Ni и др.), причем характерным является наличие широкого спектра этих элементов при их низкой концентрации (единицы и доли миллиграмма на литр). Могут встречаться радиоактивные элементы (уран, радий) и радиоактивный газ радон, образующийся при распаде радия.
Органическое вещество пресных напорных вод по видовому со ставу и концентрации близко к таковому в грунтовых водах. Воды напорных пластов в меньшей степени подвержены загрязнению с поверхности и вследствие этого содержат меньше бактерий. Общая концентрация Сорг в пресных водах колеблется в пределах 15 30 мг/л.
В пресных напорных водах растворены газы атмосферного происхождения (О2, N2, СО2, Н2, благородные газы и др.), в подчиненном отношении находятся другие газы (H2S, СН4), которые присутствуют не повсеместно.
Солоноватые воды более разнообразны по химическому составу. Они могут относиться к гидрокарбонатному, сульфатному, реже к хлоридному классу. Разнообразен и катионный состав: могут преобладать Са2+, Na2+ и Mg2+. В водонапорных бассейнах солоноватые воды залегают обычно в зоне замедленного водообмена (зона затрудненной циркуляции). Они встречаются на различных глубинах (например, могут проникнуть по тектоническим нарушениям) в зависимости от геологического строения региона. Пространственно очень часто солоноватые воды занимают промежуточное положение между пресными и солеными. В газовом составе этих вод по сравнению с пресными уменьшается доля компонентов атмосферного происхождения и увеличивается содержание газов глубинного и микробиологического генезиса (СО2, H2S). Вблизи нефтяных и газовых залежей солоноватые воды могут содержать в повышенных количествах СН4, С2Н6 и другие углеводородные компоненты.
Соленые воды и рассолы занимают основной объем подземной гидросферы. По генезису это воды высокой минерализации, преимущественно седиментационные и смешанные. Реже они представляют собой инфильтрационные рассолы выщелачивания легкорастворимых солей (NaCl, КСl, СаСl2 и др.). Эти соли могут присутствовать в недрах в виде пропластков, мощных пластов, штоков или находиться в рассеянном виде. При формировании рассолов исходной может быть как морская захороненная вода, так и инфильтрационная или смешанная. Соленые воды и рассолы занимают в подземной гидросфере зону наиболее затрудненного водообмена (зона застойного водного режима). Здесь водообмен совершается в течение миллионов лет, а скорости движения вод исчисляются сантиметрами и миллиметрами в год. Подземный сток в этой зоне проявляется лишь в масштабах геологического времени. Воды высокой и сверхвысокой минерализации (иногда до 500–600 г/л) характерны для закрытых гидрогеологических структур, лишенных связи с областью питания и имеющих весьма затрудненную разгрузку, в том числе и рассеянную через водоупорные пласты.
В анионном составе соленых вод и рассолов обычно преобладает Сl-, в катионном – Na+ и Са2+. В подчиненном отношении находятся ионы SO42-, НСО3-, СО32-, Mg2+, К+. Исключение составляют рассолы с высокой соленостью (более 300 ‰). В них кальций и магний преобладают над натрием.
Хлоридные воды высокой минерализации встречаются не только в геологических структурах, где распространены хемогенные осадки (каменная соль, ангидриты, гипсы и др.), но и в структурах, лишенных заметных скоплений солей. Они обнаружены в Ангаро-Ленском, Иркутском, Прикаспийском, Волго-Уральском, Предкавказском, Днепровско-Донецком и других водонапорных бассейнах. Обычно подземные рассолы тяготеют к наиболее погруженным частям бассейнов (глубины 3–5 тыс. м). Несколько реже они встречаются и на меньших глубинах.
В земной коре к настоящему времени вскрыты напорные воды на глубинах 7–9 км, где давление превышает (10–13)107 Па, а температура 350 °С. Уникальная Кольская сверхглубокая скважина показала наличие соленых вод и рассолов на глубинах до 12 км.
В качестве примера, характеризующего максимально минерализованную подземную воду из всех вскрытых в настоящее время в недрах земли скважин, можно привести рассолы, вскрытые в скважине Бей-Сити (Северо-Американская платформа):
В составе соленых вод и рассолов нередко содержатся разнообразные микроэлементы; наиболее часто встречаются бром, иод, литий, калий, рубидий, цезий, медь, цинк, стронций, радий, барий и др. Повышенные концентрации микроэлементов в водах могут возникать иногда под влиянием скоплений полезных ископаемых. Так, вблизи рудных месторождений нередко формируются водные ореолы рассеяния некоторых элементов, находящихся в рудах (РЬ, Сu, Li, Zn, V и др.).
Для соленых вод и рассолов глубоких водоносных горизонтов характерно наличие определенных газов, формирующихся под действием биохимических, термокаталитических процессов, радиоактивного распада, а также поступающих из атмосферы и мантии.
В водах закрытых гидрогеологических структур превалируют метан (реже этан, пропан), сероводород, углекислый газ, азот. Как правило, в меньшем количестве находятся благородные газы, в основном гелий и аргон, а также водород и радон. Метан и другие углеводородные газы образуются в основном в результате биохимических и химических термокаталитических процессов преобразования органического вещества, рассеянного в горных породах. Сероводород в водах глубоких горизонтов может быть генетически различным. На небольших глубинах при температурах менее 100°С он преимущественно биохимического происхождения. В условиях повышенных температур, где биохимические процессы затухают, H2S образуется за счет термокаталитического преобразования серосодержащих органических и неорганических веществ. Различна и геохимическая история диоксида углерода, который может образоваться как биохимическим, так и термокаталитическим путем. Азот имеет преимущественно биохимический генезис. Инертные газы и водород поступают в основном с больших глубин по зонам тектонических нарушений.
Соленые воды и рассолы исключительно разнообразны по набору макро- и микрокомпонентов, общей минерализации, составу растворенных газов. Это разнообразие обусловлено влиянием природных факторов, действовавших в течение длительного времени при формировании химического состава этих вод.
Проблема формирования хлоридных соленых вод и рассолов представляет не только теоретический, но и практический интерес. Эти воды являются источником получения в промышленных масштабах многих элементов (брома, иода, лития и др.). Между тем генезис вод глубоких горизонтов является весьма сложным процессом, вследствие чего вопрос о происхождении хлоридных вод продолжает оставаться наиболее дискуссионным в гидрохимии.
Хлоридные воды имеют две генетические модификации:
хлоридные воды, а иногда и рассолы со слабовыраженным преобладанием Сl- над суммой Na++Mg2+, с незначительным содержанием Са2+ и микрокомпонентов;
хлоридные воды и рассолы преимущественно кальциевые или натриево-кальциевые, содержащие высокие концентрации брома и других микрокомпонентов.
Происхождение этих двух модификаций различное. Первые чаще всего образуются в результате катионного обмена. Генезис вторых значительно более сложный. Между указанными разновидностями часто встречаются хлоридные воды промежуточного состава и смешанного генезиса.