Формирование химического состава подземных вод: Минеральные воды

Курсовая  работа по предмету География:

Формирование  химического состава подземных  вод: Минеральные воды. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Москва, 2010 

     План

1. Введение
2. Общие сведения о минеральных водах
3. Геохимические типы минеральных вод:

3.1 Углекислые воды

3.2 Сероводородные воды

3.3 Азотные воды

3.4 Метановые воды

3.5 Железосодержащие воды

3.6 Мышьяксодержащие воды

3.7 Радоновые воды

3.8 Минеральные воды, обогащенные органическим веществом

4. Закономерности распространения минеральных вод
5. Влияние городских агломераций, промышленного и гражданского строительства на подземные воды
6. Минеральные воды и здоровье населения
7. Заключение
8. Список использованной литературы

1.Введение

     В последние десятилетия понятие об окружающей среде укоренилось не только в научной литературе, но прочно вошло в нашу повседневную жизнь. Все чаще проводятся международные конференции и симпозиумы, посвященные охране окружающей среды, организованные ООН, ЮНЕСКО, ЮНЕП и другими международными союзами и организациями. Специалисты многих стран мира выражают беспокойство по поводу прогрессирующего загрязнения воды и воздуха, истощения земельных и лесных ресурсов и вообще вопиющего вмешательства homosapiensa в природу.

     Во всех странах стало очевидным, что одним из важнейших природных ресурсов являются подземные воды. Еще в 1931 году академик А.П. Карпинский писал о подземной воде: « Вода-это не просто минеральное сырье, это не только средство для развития сельского хозяйства, вода – это действительный проводник культуры, это та живая кровь, которая создает жизнь там, где ее не было»[ 2, C. 14].

     В отличие от других полезных ископаемых подземные воды имеют ряд специфических свойств, которые просто необходимо учитывать при их непосредственной эксплуатации в народном хозяйстве. Главной особенностью подземных вод – является их возобновляемость в процессе общего круговорота воды, что существенно отличает их от других полезных ископаемых. Кроме того, это очень важно, что при использовании подземных вод, происходит не только расходование, но во многих случаях и дополнительное формирование, вызванное усиленным питанием подземных вод поверхностными водами, а так же за счет испарения с уровня грунтовых вод.

      Другая очень важная специфика подземных вод – их подвижность и тесная взаимосвязь  с окружающей средой. Подземные воды, с одной стороны, находятся в постоянном и тесном взаимодействии с водовмещающими горными породами, а с другой- они связаны с поверхностными водотоками, морями, ландшафтами, растительностью. Так же стоит отметить, что подземные воды, составляя лишь 0.27% объема всей гидросферы, занимают значительное место в обеспечении потребностей человека в воде[2, C. 15]. Поэтому именно эта тема показалась автору данной работы наиболее актуальной для дальнейшего исследования.

      В этой работе будет сделана попытка раскрыть особенности формирования химического состава минеральных вод, поскольку химический состав, строение воды и ее свойства — один из важнейших вопросов современной химии и гидрогеологии. Не разрешив его, нельзя успешно изучать процессы, протекающие в земной коре, и рационально использовать природные воды. Почему именно минеральные воды? Именно этот вид подземных вод наиболее тесно связан с человеком, а, следовательно, именно он имеет непосредственное влияние на его жизнь и здоровье. Как известно, вода играет огромную роль в жизненных процессах не только как главная составная часть клеток и тканей человека, животных и растений, но и как среда, в которой протекают все химические процессы, связанные с жизнедеятельностью организмов. Почти в любой природной воде имеются органические вещества и микроорганизмы, без учета которых нельзя рассматривать процессы формирования и видоизменения химического состава воды.

  В данной  работе ставятся задачи: проанализировать химический состав минеральных вод, их подклассы и выявить основные особенности, отличающие их от других подземных вод. Так же будет рассмотрено влияние загрязнения окружающей среды на экосистему подземных вод, но одним из важных аспектов, который требует обязательного рассмотрения, это непосредственное бальнеологическое влияние минеральных вод на организм человека.

Общие сведения о минеральных  водах 

     К минеральным (лечебным) водам, по А.М. Овчинникову (1963) относятся природные воды,  которые могут оказывать на организм человека лечебное действие, обусловленное повышенным содержанием полезных, биологически активных компонентов ионно-солевого и газового состава, либо общим ионно-солевым составом воды, а так же органическими веществами [3, C. 42]. Эти воды широко применяются в курортно-санаторном деле и относятся к водам лечебного значения. По предложению В. И. Вернадского, воды с общей минерализацией более 1 г/л (0,1%) называют также минеральными или, если они не имеют лечебного значения, — минерализованными, а воды с общей минерализацией более 50 г/л (5%) —рассолами. Рассолы используются для добычи солей и химических элементов (брома, иода, радия и др.) и относятся к водам промышленного значения [10, C. 113]. Оценка вод лечебного и промышленного значения требует тщательного изучения их состава.

    Для отнесения подземных вод к категории минеральных (лечебных) можно пользоваться таблице, приведенной ниже. Однако следует учитывать, что приведенные в ней нормы являются условными, так как резкой грани между пресными и минеральными водами нет; многие воды лечебного значения имеют весьма слабую минерализацию, а нормы содержания отдельных компонентов, позволяющие называть воды специальным наименованием: железистые, литиевые, йодистые и т. п., требуют экспериментальной проверки. Поэтому в первом столбце таблицы показаны нижние пределы, которые позволяют выделять воды, уже начинающие отличаться по своим свойствам от пресных вод. 

Критерии  соотнесения подземных  вод к разделу  минеральных [3,C.46]

   Общая минерализация минеральных вод может быть различной. В некоторых случаях она составляет менее 0,5 г/л. Воды с общей минерализацией от 0,5 до 1 г/л, даже не содержащие специфических элементов, приведенных в табл. 46, являются переходными от пресных к минеральным, а минерализация выше 1 г/л уже ощущается на вкус.

Минеральные воды по составу очень разнообразны. В России наиболее распространена классификация минеральных вод В. А. Александрова, в которой по химическому составу выделяется шесть классов[1, C. 342].

1 класс. Гидрокарбонатные воды с преобладанием иона НСОз (более 25% же);

другие анионы составляют меньше 25%:

а) натриевые,

б) кальциевые,

в) магниевые. 

2 класс. Хлоридные воды с содержанием иона Сl более 25% же; Другие анионы составляют меньше 25%:

а) натриевые,

б) кальциевые,

в) магниевые.

3 класс. Сульфатные воды:

а) натриевые,

б) кальциевые,

в) магниевые.

4 класс. Воды сложного состава, представляющие собой сочетание вод первых трех классов:

а) хлоридно-гидрокарбонатные,

б) сульфатно-гидрокарбонатные,

в) хлоридно-сульфатные.

К этому же классу относятся воды еще более сложного состава.

5 класс. Воды с  наличием  биологически  активных ионов: железа — более

10 мг/л, мышьяка—1 мг/л, брома —25 мг/л, иода — 10 мг/л, лития - 5 мг/л, тяжелых или радиоактивных металлов, или с особыми лечебными свойствами.

6 класс. Газовые воды, со значительным содержанием газов:

а) углекислые,

б) сероводородные,

в) радиоактивные.

   Недостатком этой классификации является то, что одна и та же вода может попасть сразу в три класса: она может обладать тем или иным анионно-катионным составом (по классу 1, 2, 3 или 4), содержать биологически активные элементы (железо, бром, иод и др.), т. е. относиться к 5-му классу, и одновременно быть газовой (класс 6).

   По температуре минеральные воды принято делить на холодные, до 20°, теплые, или субтермальные, при 20—37° (за верхний предел принята температура человеческого тела), термальные при 37—42° и горячие, или гипертермальные, выше 42°. Наиболее ценными водами считаются те, которые не требуют искусственного нагревания или охлаждения[1, C. 342].

   Большое значение для оценки минеральных вод имеет количественное содержание в растворе газов и величина газового фактора, т. е. отношения дебита газа к дебиту воды. Обычно наиболее ценные типы минеральных вод являются газирующими и часто характеризуются газовым фактором больше единицы.

     Газы минеральных вод служат хорошими показателями условий их формирования. Углекислота указывает на процессы метаморфизма горных пород при высоких температурах, сероводород, метан — на биохимические процессы, азот — на глубокое проникновение атмосферного воздуха. В некоторых минеральных водах выделяющиеся газы имеют смешанный характер: сероводородно-метановый, азотно-метановый и т. д.

     Среди вод не газирующих, но содержащих в растворе небольшое количество газа, выделяются железистые воды как гидрокарбонатные, гак и сульфатные (купоросные), кальциево-магниево-натриевые воды с различным соотношением сульфатов и гидрокарбонатов (например, московская минеральная вода), а также более высокоминерализованные хлоридно-натриевые, хлоридные кальциево-натриевые воды (Старая Русса, Сольвычегодск и др.) и чистые хлоридно-кальциевые воды (например, вода Лугела в Грузии).

     Минеральные лечебные воды подразделяются на воды для наружного (для ванн) для внутреннего(питьевые) применения. В соответствии с ГОСТ 13273-88 выделяются две большие группы питьевых вод: лечебно-столовые с минерализацией от 1 до 10 г/л и лечебные, применяемые по назначению врача с минерализацией от 10 до 15 г/л, а при наличии в них мышьяка, бора и некоторых других биологически активных компонентов с минерализацией < 10  г/л [6, C. 5].

     Биологическое воздействие минеральных вод обусловлено не только их химическим и газовым составом, но и физико-химическим структурой, которая изменяется при их формировании в термобарических условиях глубоких горизонтов земной коры.

3. Геохимические типы минеральных вод 

3.1 Углекислые воды 

     В соответствии с современными воззрениями и нормами к углекислым относятся подземные воды, содержащие более 500 мг/л растворенной СО₂. К ним относятся характерные источники, имеющие различные названия: Нарзаны на Северном Кавказе, маджарицхали, или мжавецхали, в Грузии, аршаиы в Бурят-Монголии, квасы, или буркуты, в Карпатах, зауер-линги в Германии и т. д [1, C. 354]. Постоянно пульсирующие, обычно холодные и освежающие, расположенные в гористых живописных местах, они всегда привлекали внимание местного населения, и около них обычно создавались вначале небольшие народные курорты.

    Наиболее крупные районы углекислых источников расположены в очагах молодых интрузий, где на контактах изверженных и осадочных пород в некоторых местах формируются ценные горячие углекислые воды типов славяновской (Железноводск), Карловы Вары (Чехословакия), Исти-су (Азербайджан), Джермук (Армения). Существует мнение, что углекислые струи проявляются главным образом в центральных частях альпийской зоны. Однако фактические данные это опровергают; в частности, можно указать и на почти полное отсутствие углекислых вод в Альпах, на наличие крупного «пояса углекислых вод Германии» к северу от альпийской зоны и огромное развитие углекислых вод в Забайкалье и на Большом Кавказе[4, C. 289].

    Углекислые воды образуются в результате того, что углекислота, выделяющаяся при температуре около 400° из горных пород, насыщает подземные воды различных химических типов, которые заключены в крупные геологические структуры. Ввиду того, что такие структуры обычно приурочены к тектоническим поднятиям, в них преобладают гидрокарбонатные воды небольшой минерализации. Так образуются углекислые воды типа Нарзан (Кисловодск), Аршан (Саяны) и Дарасун (Забайкалье).

   Углекислота подземных вод полигенетична. Ее происхождение и накопление в этих водах связаны с различными процессами. К их числу относятся метаморфическое разложение карбонатсодержащих пород, разложение этих пород кислыми водами, дегазация глубинных зон земной коры, поступление углекислоты из очагов магматизма, бактериальное разложение органических веществ, окисление и метаморфизация этих веществ, декарбоксилизация липидов. В настоящее время общепризнанно, что основными процессами, приводящими к накоплению углекислоты в подземных водах, являются процессы отделения углекислоты очагами магматизма, дегазации мантии и особенно термометаморфические процессы преобразования карбонатсодержащих пород.

     Количество СО₂ , выделяющейся при термометаморфизме мергелей, достигает 8.8% от массы исходной породы, при метаморфизации  карбонатных глин – 6.82% и т.д., при этом теоретически возможное количество выделяющейся СО₂  может достигать 15%. Это означает, что региональный термометаморфизм является мощным процессом, поставляющим углекислоту в верхние зоны земной коры[5, C. 119].

    В условиях так называемого «сухого метаморфизма» карбонатсодержащих пород, образование СО₂  происходит при температуре 650-700⁰ С, которая в присутствии водных растворов уменьшается вследствие гидролитического разложения этих пород по принципиальной схеме: СаСО₃ + Н₂О _→ Са(ОН)⁺+ (ОН)^- + СО₂ . В этом случае углекислота образуется уже при температуре 75-125⁰С. Так, в районах современного и недавнего метаморфизма температура в 100-120⁰С может быть достигнута уже на глубине нескольких сотен метров. В молодых краевых прогибах (например, в Предкавказском) температуры 100 – 150 ⁰С известны на глубине 1.5-3 км.

10 20 30 40 50 мин.

Рис. 1. График дебита интермиттирующего источника[3,C.  

   Однако среди углекислых вод встречаются воды и повышенной минерализации, например, гидрокарбонатно-хлоридно-натриевые (по типу соляно-щелочных вод Ессентуков) и хлоридно-натриевые соленые воды (например, Арзни в Армении, Наугейм в Западной Германии и др.). Общая минерализация вод последнего типа достигает 30 г/л.

Динамика и режим этих вод приобретают специфические особенности у поверхности земли, где появляется газовая фаза. Ниже определенной глубины (10—30 м), которая называется «глубиной предельного давления», пузырьки свободно выделяющегося газа отсутствуют. Движение воды в газирующих источниках происходит не в результате давления газа, а под влиянием гидростатического напора и снижения удельного веса столба жидкости у выхода воды на дневную поверхность (явление эрлифта).

    Дебит свободно выделяющейся углекислоты обычно больше дебита вод в том же источнике в 1,5—3 раза. Неравномерность выделения газа, характер водовыводящих каналов и подмешивание пресных грунтовых вод вызывают явление перемежающегося режима, или интермиттенции (рис. 1). Газовый фактор заставляет с особой осторожностью и тщательностью изучать режим и давать оценку дебита углекислых вод. Интенсивно самоизливающийся углекислый источник (скважина) может постепенно уменьшать свой расход, и для регулирования его режима требуются специальные мероприятия. 
 
 
 
 
 
 
 
 

3.2. Сероводородные воды 

  Сероводородные, или сульфидные, воды. Сероводород чрезвычайно широко распространен в природе. Воды, содержащие сероводород, имеют большое значение в современной бальнеологии. Этот тип приурочен к осадочным отложениям и находится в парагенетических соотношениях с нефтью, жидкими и твердыми битумами, а также углеводородными газами.

     По существующим нормам, для того, чтобы вода могла называться минеральной, достаточно присутствия в ней 1 мг/л сероводорода. Однако в последние годы специфическими сульфидными водами стали считаться воды с содержанием общего титруемого иодом сероводорода более 10 мг/л. Соотношение между отдельными компонентами зависит от сульфидно-карбонатного равновесия и связано со степенью диссоциации ионов, в свою очередь определяемой концентрацией водородных ионов рН. Для сероводородных вод характерно 5 < рН < 6,5, для сероводородно-гидросульфидных 6,5<рН< < 7,5, для гидросульфидных 7,5<рН<9. Наибольшее лечебное значение имеет свободный H₂S, проникающий через кожу человека.

     Наиболее богатые сероводородом воды, так называемые крепкие сероводородные воды, с содержанием общего сероводорода более 150 мг/л, по химическому типу являются хлоридно-натриевыми или хлоридными кальциево-натриевыми и обычно содержат повышенные количества иода, брома, аммония и борной кислоты. Они развиты преимущественно в районах нефтяных месторождений и местами обрамляют нефтяные залежи. По мере эксплуатации залежи сероводородные воды начинают поступать в скважины вместо нефти.

  На сероводородных водах высокой концентрации (мацестинского типа) создались известные курорты: Сочи— Мацеста и Талги на Кавказе, Усть-Качка у Краснокамска (Приуралье), Чимион в Фергане и др. По происхождению высококонцентрированные сероводородные воды обычно относятся к древним метаморфизованным водам морского генезиса.

  Хлоридно-сульфатные или более сложные по составу воды обычно содержат меньше сероводорода и относятся к водам средней концентрации (содержание общего сероводорода 70— 150 мг/л). Они встречаются обычно по окраинам альпийской складчатой зоны.

  Еще меньше сероводорода, как правило, содержат холодные сульфатно-кальциевые воды платформенных областей, связанные с выщелачиванием гипса и восстановлением сульфатов в торфянистых или илистых отложениях. К числу этих вод относятся воды курортов Кемери на Рижском взморье и Краинка в Тульской области. Но некоторые месторождения этих вод, связанные с коренными породами, содержат сероводород в значительно большем количестве (Немиров, Любень Великий и др.). В Заволжье на таких водах создан известный курорт Сергиевские Минеральные Воды.

  Особой разновидностью этих вод являются воды, которые В. И. Вернадский назвал водами «пиренейского» типа. Они отличаются малой минерализацией, высокой щелочностью (рН>8), высокой температурой и содержат преимущественно связанный сероводород в виде гидросульфидного иона          . Обычно воды этого типа приурочены к трещинам изверженных или туфогенных пород. По химическому типу они являются гидрокарбонатно-хлоридно-натриевыми, с относительно повышенным содержанием кремневой кислоты и некоторых микроэлементов. На Кавказе к этим водам относятся воды курорта Горячий Ключ около Краснодара, Кумогорск в районе кавказских Минеральных Вод, Тбилисские термы и др. В Пиренеях наибольшую известность имеют курорты Баньер-де-Люшон, Бареж, Котере и др.

    Общее содержание H₂S в водах наиболее известных курортов сероводородных вод следующее          :

                                    H₂S, мг/л

Талги (Дагестан)    560

Краснокамск (Пермская область)  540

Сочи(Мацеста)    439

Горячий ключ(Краснодарский край)  170

Сергиевские Минеральные воды  80

Кемери (Прибалтика)   30

Хилово (Псковская обл.)   18

Арчман (Туркмения)   10 

Сероводородные воды известных курортов формируются, как правило, в нефтегазоносных провинциях, обычно при наличии в породах гипсов и ангидритов. 

3.3. Азотные воды

   Азотные термальные воды могут иметь температуру до 100⁰С и более. Они характеризуются следующими геохимическими особенностями:

1. В их газовом составе преобладает N₂
2. Минерализация может быть разнообразной, но, как правило, она имеет 1 г/л.
3. Химический состав изменяется от HCO₃- Na и SO₄- Na до Cl-Na.

    Характерной особенностью многих геохимических типов азотных термальных вод является наличие в них значительных концентраций кремнекислоты, а так же таких элементов, как фтор, вольфрам, молибден, германий, селен, рений и другие. Азотные термальные воды формируются в областях новейшей тектонической активации, характеризующихся наличием крупных разрывных дислокаций и погружением отдельных блоков.

     Площади распространения азотных термальных вод объединяются в специальную провинцию минеральных вод, которая охватывает структуры альпийской системы, рифейские, каледонские, герцинские, киммерийские и ларамийские  структуры. Такие структуры характеризуются глубокими зонами дробления, способствующие проникновению инфильтрационных подземных вод в высокотемпературный горизонт земной коры         . Как геологический феномен, азотные термальные воды представляются явлением более поздним по сравнению с углекислыми водами. Выходы азотных термальных вод тяготеют к крупным региональным тектоническим нарушениям глубокого заложения. Классическими примерами таких региональных термальных линий являются Мергельская, объединяющая термы южного склона Большого Кавказа, Копетдагская , Южно-Иссыккульская, Заилийская, Восточно-Байкальская и другие           .

   Провинции  азотных термальных вод имеет  следующие главные области распространения:  Большой и Малый Кавказ, Копет-Даг,  Тянь – Шань, Памир, Джунгарский  Алатау, Алтай, Саяны, Забайкалье, Приморье, Охотское побережье, Камчатка. Помимо перечисленных главных областей, слаботермальные воды, имеющие температуру от 15 до 20⁰С, известны в других регионах, например в пределах Украинского кристаллического массива, Молдавии и другие.

    Эта провинция является частью обширных глобальных поясов (Средиземноморского и Тихоокеанского). Первый из них протягивается от Пиренеев через Альпы, Балканы, Родопы в Монголию и Корею, где он соединяется с Тихоокеанским поясом азотных термальных вод, протягивающимся вдоль побережья Тихого океана.

     Известно, что азотные термальные воды в массивах кристаллических пород способны образовывать рудную минерализацию – осадки, обогащенные вольфрамом , фтором, а в отдельных случаях – флюорит как непосредственно, так и в результате метасоматического замещения карбоната кальция флюоритом.

3.4.Метановые воды 

    Это широко распространенный геохимический тип минеральных вод, залегающих, как правило, в осадочных битуминозных или нефтегазоносных отложениях. Эти воды имеют различную минерализацию и сложный химический и газовый состав. Если в геологических структурах присутствуют галогены, то в них формируются минерализованные воды Cl-Na-Ca состава.

    В газовом составе, помимо CH₄ и других углеводородов, присутствуют азот, сероводород и другие газы. Следует иметь ввиду, что в следствии низкой растворимости метана в воде при атмосферном давлении его большая часть при выходе воды на земную поверхность выделяется в виде спонтанного газа,  в воде при давлении 0,1 МПа и Т 37⁰С остается всего 17-24 мг/л растворенного СН₄.

     Примером бальнеологического использования метановых вод является курорт Нальчик.

3.5 Железосодержащие воды 

    По содержанию железа минеральные воды делятся на три группы: слабожелезистые ( с содержанием железа от 20 до 40 мг/л), крепкие (с содержанием железа от 40 до 100 мг/л) и очень крепкие (с содержанием железа более 100 мг/л). Минеральные железосодержащие воды используются в основном в качестве питьевых лечебно-столовых вод.

  Месторождения  железосодержащих вод представлены следующими основными типами:

1. Азотные слабоминерализованные, сульфатные кислые, связанные с окислением сульфидов железа (Мерциальные воды в Карелии), Джусалинские воды в Казахстане)
2. Азотные слабоминерализованные воды сложного ионного состава.
3. Углекислые, преимущественно гидрокарбонатные воды, формирующиеся при углекислотном выщелачивании пород.

      Лечебное воздействие  этих вод обусловлено повышенным содержанием в них железа. Первый курорт, открытый в России Петром I,  Марциальные воды в районе города Петрозаводск. Ниже приведен  химический состав воды четырех источников, действующих в районе этого курорта (в мг/л)           : 

Номер источника

1        2          3        4

Na⁺ + K⁺                                         5,2     16,5     5,3       8

Mg²⁺                                                   13,3   26,5     30,2     33,7

Ca²⁺                                                    26.2    45,4    38,8     60,4

Fe²⁺                                                     5.8      23.4    61,3    97,6

Fe³⁺                                                     1,8      2,3      1,9      2,3

Cl^-                                                       0,4      1,1      1,4      0,7

SO^2-₄                                                               66,7    192,7  235,5   242,3

HCO₃^-                                                 86,6     116,5  116,2   132,4 
 

   Как видно, это пресные многокомпонентные воды SO₄-HCO₃-Ca-Mg типа.

6. Мышьяксодержащие  воды

      В земной коре формируются два основных геохимических типа мышьякосодержащих минеральных вод:

1. Углекислые воды позднечетвертичного и современного магматизма
2. Кислые воды районов сульфидных месторождений

     В России и странах СНГ выявлено около 40 месторождений мышьяксодержащих вод, удовлетворяющих ГОСТ, а именно содержание Аs больше 0,7 мг/л. Наиболее распространены углекислые мышьяксодержащие воды в гидрогеологических структурах альпийской зоны, характеризующейся проявлением позднечетвертичного и позднего магматизма.