Химический состав озер Курганской области

       Природные воды представляют собой сложные  растворы, содержащие в своем составе  все известные химические элементы в виде простых и сложных ионов, комплексных соединений, растворенных или газообразных молекул, стабильных и радиоактивных изотопов, но большая  часть из которых находится в столь малых количествах, что пока еще не определены из-за недостаточной  чувствительности методов анализа.

       Химический  состав природных вод определяет предшествующая ему история, т.е. время  и путь, пройденный водой в процессе своего круговорота.

       Количество  растворенных веществ в такой  воде будет зависеть от химического  состава тех веществ, с которыми она соприкасалась, и от условий (температура, наличие газов и  живых организмов и др.), в которых  происходили эти взаимодействия. Как те, так  другие могут быть самыми различными, и поэтому так разнообразен качественный состав природных вод.

       Взаимодействие  между породами и водой, этими  важнейшими природными телами, является сложным процессом,  до сих пор  еще далеко не изученным с количественной стороны. Этот процесс осложняется чрезвычайным разнообразием пород и условий среды.

       Выделяют  несколько групп пород по особенностям их воздействия на воду: соли: более  или менее растворимые в воде; изверженные и метаморфические  породы: глинистые породы. 

       ОБОСНОВАНИЕ ТЕМЫ 

       Для территории Курганской области характерно обилие озер. Равнинность и бессточность водоразделов, наряду с неглубоким залеганием водоупорных пород, обуславливают  особенности гидрохимического режима. Взаимодействие между породой и водой является сложным процессом, до сих пор еще далеко не изученным.

       Изучение  и разработка данной темы являются необходимостью в разрешении ряда проблем  в области географии, экологии, экономики.

       Потребность дальнейшего изучения данного вопроса  диктуется современными экономическими условиями, так как озерные экосистемы являются источниками важнейших ресурсов области, которые используются до сих пор недостаточно полно и, в целом, являются перспективными. Высокая практическая значимость дает возможность комплексного использования водных экосистем на базе информации об их состоянии, возможность составления эколого-экономического кадастра озер в плане организации рационального природопользования.

       Территория  области, в целом, в плане гидрохимических  знаний исследована недостаточно.

       Изучение  химизма озер,  их районирование  было выполнено в 30 - 50 гг. [Головин, Балабанова, Шнитников, Сысолятина]. В более поздних  работах [Балабанов, 1960, Сысолятина,1964]  дается более полное и четкое описание химического режима лимнических систем Курганской области.

       В то же время,  вся полученная информация по гидрохимии  озер, в целом, разрозненна  и недостаточна, что привело к  необходимости обобщения и накопления фактических материалов по данной проблеме. 

       КЛАССИФИКАЦИЯ СОСТАВА ПРИРОДНЫХ ВОД 

       Классификация вод по минерализации 

       В настоящее время среди исследователей нет единого мнения по вопросу  о причинах подразделения природных  вод по минерализации. Граничные  значения минерализации природных  вод обосновывают либо с теоретических  позиций, либо на основании региональных исследований, либо с учетом фактического использования воды.

       Общепринятой  является только степень минерализации, характеризующая границу пресных  вод, то есть 1 г/л, она присутствует во всех классификациях.

       Под минерализацией воды понимают суммарное содержание в ней найденных при химическом анализе минеральных веществ. Выражают это количество либо в виде общей минерализации, либо сухого остатка, либо плотности.

       Общую минерализацию и сухой остаток  выражают для пресных и солоноватых вод в мг/л или г/л, для рассолов - в г/л, г/кг, процентах.

       Разошлись мнения по вопросу об одном из весьма важных рубежей - между рассолами  и солеными водами. В.И. Вернадский считал таковым значение 50%, М.Г.Валяшко, а  в последствии И.К. Зайцев - 35%.

       Обоснованным  представляется классификация природных  вод по минерализации путем установления условных значений минерализации - "узлов", которые получают с миграционных кривых, отражающих поведение главных  ионов в зависимости от минерализации.

       На  пересечении кривых (т.е. в "узлах") химический состав перестраивается по преобладающим главным компонентам. По данным Валяшко граничному значению 1 г/л соответствует смене преобладания карбонатных ионов преобладанием сульфатных ионов и преобладания ионов кальция преобладанием ионов натрия, а граничному значению 10%  - смена преобладания сульфатных ионов преобладанием ионов хлоридных.

       Следовательно, миграционные кривые позволяют разделить  пресные, солоноватые и соленые  воды и выделить в них определенные группы.

       Для рассолов обоснование граничных  значений минерализации с теоретических  позиций заключается в выделении  тех градаций минерализации, которые  соответствуют интервалам изменений  в ионном составе воды, происходящих в связи с физико-химическими  превращениями и со сменой одних равновесных систем другими.

       Последние выявлены экспериментально при выпаривании  морских вод в лабораторных и  полевых условиях.

       Например, классификация рассолов по Зайцеву, охватывает пять подгрупп:

       1. Очень слабые рассолы - 36-75 г/л, 35 - 70‰, отвечают первой стадии сгущения океанической воды, когда из нее начинает выпадать доломит.

       2. Слабые рассолы - 75-150 г/л, 70 -140‰,  верхний предел примерно соответствует  садке гипса из океанической  воды.

       3. Крепкие рассолы - 150-320 г/л, 140-270‰, отвечает стадии сгущения океанической воды, когда из нее, близ верхнего предела, осаждается галит.

       4. Весьма крепкие рассолы - свыше  320 г/л, 270-350‰, характеризуется такой  степенью сгущения, когда происходит  садка карналлита

       5. Сверхкрепкие рассолы - свыше 350‰ представляют собой маточную рапу после выпадения из нее карналлита.

       Следует отметить, что разделение рассолов на подгруппы практически для  всех современных классификаций  авторами производится по данному принципу.

       Примером  выделения подгрупп в пресных и соленых водах на основании региональных исследований и использования природных вод в практических целях является дробная классификация Н.И. Толстихина:

       - сверхпресные (снег и льды Антарктиды);

       - весьма пресные (атмосферные осадки);

       - очень пресные (оз. Байкал, Ладожское, воды тундры);

       - особо пресные (грунтовые воды  лесов, средних гор);

       - умеренно пресные (грунтовые воды  степи).

       Соленые воды разбиты по подгруппам по следующим  признакам:

       - слабосолоноватые - питьевые (по необходимости), минеральные питьевые;

       - средне солоноватые - водопойные;

       - сильно солоноватые - водопойные  по необходимости;

       - слабосоленые, их нижняя граница  (25‰) обоснована тем, что при  данной минерализации температура  максимальной плотности и температура  замерзания равны между собой;

       - умеренно соленые - вода опресненных  морей;

       - нормально соленые - вода Мирового  океана.

       В рассолах выделена подгруппа крепко соленых вод или очень слабых рассолов, соответствующая минерализации  воды некоторых осолоненных морей  аридных областей.

       Следует отметить, что границы подгрупп в классификации Толстихина выделены несколько условно. Наибольшее применение эта классификация получила в гидрохимии, рассматривающей формирование поверхностных вод.

       В гидрогеологии в настоящее время  наиболее часто применяют классификацию А.М. Овчинникова и И.К. Зайцева:

       По  степени минерализации, по Овчинникову, природные воды разбиты на подгруппы:

       - ультрапресные - меньше 0,2 г/л;

       - пресные - 0,2 - 0,5 г/л;

       - воды с относительно повышенной  минерализацией - 0,5  - 1,0 г/л;

       - солоноватые 1,0 - 3,0 г/л;

       - соленые 3,0 - 10,0 г/л

       - воды повышенной солености - 10,0 - 35,0 г/л

       По  Зайцеву, по степени минерализации  природные воды также разбиты  на подгруппы:

       1. Пресные: более 1 г/л.

       а) весьма пресные - < 0,1 ‰;

       б) нормально пресные 0,1 - 0,5 ‰;

       и) жесткие пресные 0,5 - 1,0 ‰.

       2. Соленые: 1,0 - 36,0 г/л или 1,0 - 35,0‰

       а) солоноватые 1,0 - 3,0 ‰;

       б) слабосоленые 3,0 - 10,0 ‰;

       и)  сильносоленые 10,0 - 35,0 ‰.

       3. Рассолы: свыше 36 г/л или 35‰.

       Степень минерализации указана выше.

       Исходя  из конкретных практических целей, можно использовать любые другие классификации природных вод по минерализации, выполненные другими авторами [Вернадский, Алекин, Гуревич, Щербаков, Посохов]. 

       Классификация природных вод  по химическому составу 

       К настоящему времени насчитывается несколько десятков классификаций, основанных на различных принципах и имеющих разное практическое применение и значение. Всеобъемлющей универсальной классификации пока не существует.

       К наиболее популярным и чаще употребляемым  относятся классификации О.А. Алекина, М.Г. Валяшко и В.А. Сумина.

       В настоящее время наиболее часто  применяется классификация по Алекину. Она сочетает принцип деления  химического состава по преобладающим  ионам с делением по количественному  соотношению между ними. Преобладающими считаются ионы с наибольшим относительным содержанием в % эквивалентов.

       По  преобладающему аниону все воды делятся  на 3 класса:

       1. Класс гидрокарбонатных и карбонатных  вод - большая часть маломинерализованных  вод рек, озер, водохранилищ и  некоторые подземные воды.

       2. Класс сульфатных вод - промежуточные  между гидрокарбонатными и хлоридными  водами, генетически связаны с  различными осадочными породами.

       3. Класс хлоридных вод - высокоминерализованные  воды океанов и морей, соленых  озер, подземные воды закрытых структур.

       Каждый  класс по преобладающему катиону  подразделяется на три группы вод: кальциевую, магниевую и натриевую.

       Каждая  группа, в свою очередь, подразделена на 4 типа вод, определяемых соотношением между ионами в эквивалентах.

       Первый  тип характеризуется соотношением: HCO3- > Ca2+ +Mg2+  Воды этого типа являются щелочными мягкими, образуются при растворении продуктов выветривания изверженных пород, содержащих значительные количества натрия и калия. Они также могут образовываться за счет обменных реакций между кальцием и натрием в поглощенном комплексе пород. Воды первого типа чаще всего мало минерализованы, но в бессточных озерах могут иметь очень высокую минерализацию. К первому типу относятся также некоторые воды нефтяных месторождений.

       Второй тип характеризуется соотношением:

       HCO3- < Ca 2+ + Mg 2+ < HCO3- + SO4 2-

       Воды  этого типа формируются при взаимодействии с размытыми осадочными породами и продуктами выветривания коренных пород.  К этому типу относится  большинство вод рек, озер и подземных вод малой и умеренной минерализации.

       Третий  тип характеризуется соотношением:

       HCO3- + SO4 2-  < Ca 2+ + Mg 2+, или, что то же самое, Cl > Na.

       Генетически воды этого типа являются смешанными и метаморфизованными, формируются  в результате испарения молекул воды и катионного обмена (обычно натрия раствора на кальций или магний почв и пород). К ним принадлежат воды морей, лиманов, многих соляных озер, большинство сильноминерализованных вод.

       Четвертый тип - кислых вод, содержание гидрокарбонатов  равно 0. В класс гидрокарбонатных вод этот тип не входит, и его воды находятся в сульфатном и хлоридном классах, в группах кальция и магния, где нет первого типа.

       Формируются кислые воды при выветривании или  разработке сульфидных месторождений  и богатых сульфидами угольных залежей, при вулканической деятельности (кратерные озера, термальные источники), при активных сульфатредуцирующих процессах (воды грязевых вулканов и нефтяных месторождений), в северных и влажных областях (тундровые воды, воды торфяников и лесов), а также воды, сильно загрязненные промышленными стоками.

       Возможность существования природных вод  других классов (нитратный, боратный) не исключена, но крайне маловероятно. Более  реально преобладание в некоторых  природных водах кремниевой кислоты, но она почти полностью не диссоциирована и не уравновешивает катионов.

       Выделение в отдельный класс природных  вод с преобладанием органического  вещества невозможно, так как органическое вещество природных вод обладает весьма сложным составом.

       Для обозначения классов, групп и типов в данной классификации применяются символы. Класс обозначается символом соответствующего аниона: C, S, Cl., группа - символом  катиона - Na, Ca, Mg.. Тип - римской цифрой.

       Второй  анион или катион вводится в индекс в том случае, если его содержание лишь ненамного (в пределах 5 % экв.) уступает первому иону. 
 

       К недостаткам классификации относятся:

       1. Нарушен принцип соподчинения, так  как тип является высшей таксономической  единицей, объединяющий классы, а  не наоборот.

       2. Кислые воды не вписываются в рамки классификации..

       3. Отсутствует тип вод, соответствующий  хлормагниевому, что несколько сужает  потенциальную возможность применения  данной классификации для характеристики  нефтяных вод, поверхностных и  подземных рассолов. 

       Классификация М. Г. Валяшко. 

       В основу классификации положена растворимость  карбонатов кальция и магния и  сульфата кальция и метаморфизация природных вод. Отнесение природных  вод к одному из трех основных типов  производится на основании так называемых коэффициентов метаморфизации. Отличительным свойством выделенных типов природных вод является то, что переход состава воды из одного химического типа в другой не может быть осуществлен иначе, как путем взаимодействия с веществом окружающей среды. Эти процессы получили название процессов метаморфизации природных вод. Различают прямую и обратную метаморфизацию.

       Метаморфизация  в прямом направлении приводит к  постепенной потере менее устойчивых в растворе компонентов и переходу химических типов в направлении, указанном сплошной стрелкой.

       Метаморфизация в обратном направлении приводит к смене вод хлоридного типа водами сульфатными и карбонатными.

       Развитию  прямой метаморфизации способствует увеличение аридности климата, возрастание  подвижности иона кальция, что приводит к увеличению общей минерализации воды и ее хлоридности.

       Процессу  обратной метаморфизации помогает влажный  климат, что вызывает рассоление водовмещающих  пород, снижение степени их минерализации  и возрастание ее карбонатности.

       Для кислого типа главным будет переход  в один из первых трех типов вод, гораздо более устойчивых в поверхностной обстановке и в верхней части осадочной оболочки, и только в редких случаях и на очень ограниченных территориях происходит обратный переход одного из этих типов в кислые воды.

       Важным  достоинством данной классификации является то, что в ее основе заложен генетический подход, который нередко дает возможность, с одной стороны, по современному химическому облику вод воссоздать их исходный состав, а с другой - показать вероятные изменения в химическом составе современных вод под действием процессов метаморфизации.

       К недостаткам данной классификации  относится:

       1. Кислые воды плохо вписываются  в рамки классификации, поскольку  главными катионами в этих  водах нередко бывают тяжелые  металлы, а кислотность обусловлена наличием свободных минеральных и органических кислот.

       2. Классификация не отражает количественное  и качественное изменение в  химическом составе поверхностных  вод суши.

       Несмотря  на некоторые недостатки, классификации  Валяшко и Алехина являются наиболее удачными из существующих.

       Классификации Валяшко и Сумина целесообразно  использовать для характеристики, главным  образом, подземных вод, и высокоминерализованных вод суши, морей, а классификацию  Алехина - для поверхностных малоисследованных  вод суши. 

       Способы выражения химического состава природных вод. 

       Формула Курлова представляет собой псевдодробь, в числителе которой слева  направо записываются анионы (в % экв.) в порядке убывания, в знаменателе  таким же образом - катионы. Слева  от дроби указывается минерализация воды в г/л, содержание газов и некоторых микроэлементов, справа - температура, дебит источника.

       Для графического изображения химического  состава вод с учетом раздельного  содержания кальция от магния и сульфатов  от хлоридов пользуются треугольником Фере.

       Один  из треугольников служит для изображения  анионов, другой - катионов.

       В каждом треугольнике на основании значений в % эквивалентов наносится точка, характеризующая  положение данного состава вод  на графике. При этом достаточно знать  значения двух ионов в % экв. Сначала отсчитывают на стороне треугольника количество  в % экв. одного иона и проводят в направлении следующей стороны прямую линию, параллельную третьей стороне. Так же проводят линию и на следующей стороне треугольника. Пересечение двух проведенных линий дает положение точки.

       Существуют  и другие формы графического изображения  состава природных вод. Например, график-круг Толстихина для одной  пробы воды, где в двух половинах  круга, каждая из которых равна 50% или 100%, выделяются секторы, соответствующие содержанию в % экв. катионов в одной и в другой - анионов.

       Диаметр круга в масштабе характеризует  общую минерализацию воды. Для  нескольких проб воды круг делится  на кольца, их число отвечает количеству проб воды. Диаграммы-круги часто  видоизменяются. Так, иногда катионы помещают во внутреннем круге, анионы - во внешнем. На диаграммы-круги наносят и дополнительную информацию (содержание микроэлементов, газов, гипотетических солей).

       Для изображения химического состава  природных вод иногда применяют диаграммы-прямоугольники. Прямоугольник делится пополам, в каждой из половинок выделяется по три участка для анионов и катионов. Последние наносятся индексами ионов. Количественная характеристика наносится с учетом масштаба.

       Диаграмма-роза составляется посредством откладывания на шести векторах розы трех анионов и трех катионов в миллимоль эквивалентов на литр.

       Широкое распространение получил график квадрат Толстихина. Стороны этого  квадрата разделены на 100 частей, соответствующих  100 % экв. Причем на верхней стороне нанесено содержание натрия и калия, на нижней - кальция и магния, на боковых - соответственно гидрокарбонатов и карбонатов; хлоридов и сульфатов. Значения концентраций каждой пары катионов и анионов меняется на противоположных сторонах в обратных направлениях, поэтому для нанесения на квадрат состава какой-либо воды достаточно знать в качестве абсциссы содержание в % экв. натрия и калия, либо кальция и магния, и в качестве ординаты - одну из групп анионов. Сходные по составу, а часто и по генезису воды располагаются при нанесении на заданный квадрат близко друг к другу, образуя естественные группировки.  

       ХИМИЧЕСКИЙ  СОСТАВ ПРИРОДНЫХ  ВОД 

       Природные воды представляют собой сложные  растворы, содержащие в своем составе  все известные химические элементы в виде простых и сложных ионов, комплексных соединений, растворенных или газообразных молекул, стабильных и радиоактивных изотопов,

       В природных водах растворены почти  все известные химические элементы, но большая часть из них находится  в столь малых количествах, что пока еще не определены из-за недостаточной  чувствительности методов анализа.

       В природных водах, донных отложениях, телах гидробионтов химические элементы присутствуют как  в виде простых  и сложных ионов, так и комплексных  соединений минеральных и органических веществ, многие из которых еще не дифференцированы.

       В составе природных вод выделяют шесть типов компонентов:

       - главные ионы: K, Na, Mg 2+ , Ca 2+, Cl- , SO4 2-, ,  HCO3-, CO3 2-

       - растворенные газы : кислород, азот, сероводород, углекислый газ;

       - биогенные вещества - соединения  азота, фосфора, железа, кремния;

       - органические вещества;

       - микроэлементы;

       - загрязняющие вещества (пестициды,  СПАВ).

       Концентрация  растворов и способы ее выражения 

       В гидрохимии широко применяется термин "минерализация", под которым понимается общее содержание в воде всех найденных органических веществ.

       Под соленостью понимается суммарное содержание всех твердых минеральных  растворимых  веществ, содержащихся в 1 кг морской  воды при условии, что бром и иод замещены эквивалентным количеством хлора, все углекислые соли переведены в оксиды, все твердые вещества высушены, а органические вещества сожжены при температуре 480 °С.

       Содержание  главных ионов выражают в г/л, ‰, менее 1 г/л - в мг/л., растворенные газы - в мг/л, биогенные вещества - в мг/л или мкг/л, микроэлементы - в мг/л, мкг/л или в виде степенного выражения. 

       Главные ионы в водах и  их происхождение. 

       Хлориды.  Растворимость хлоридов натрия, магния и кальция очень высокая. С  увеличением минерализации их содержание растет абсолютно и относительно.

       Основными источниками поступления иона хлора  в природные воды являются хлористые  минералы (галит, сильвин) из горных пород, почв и скоплений солей, атмосферные  осадки, вулканические выбросы, стоки  промышленных предприятий и хозбытовые отходы.

       Сульфатные  ионы также отличаются высокой подвижностью, но уступают в этом отношении хлоридным. Основная роль принадлежит сульфатредуцирующим  бактериям, развивающим свою деятельность при наличии органического вещества. Основными источниками появления в воде сульфатов являются размытые осадочные породы, в состав которых входят гипс и ангидрит. Немаловажное значение в обогащении вод сульфат ионами имеют процессы окисления сульфидов, широко распространенные в земной коре.