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).

       б) у Мg2+ добре виражений сорбційний бар”єр – легко переходить у адсорбційний стан, а потім у кристалічну гратку глинистих мінералів;

       в) іон Мg2+ схильний до утворення  іонних пар, що затруднює його міграцію по мірі росту мінераліїзації;

       г) Мg2+ – додатньо гідратуючий іон,що проявляється у сильному підвищенні структурного тиску розчину, тому його міграція на великих глибинах затруднена.

       Надходить іон Мg+ у воду при вилуговуванні доломітів,мергелів і продуктів вивітрювання основних (габбро) та ультраосновних порід (дуніт,перидотіт).

       Із співставлення міграційних  кривих аніонів та катіонів  видно, що переважним компонентом

       а) у прісних водах являються  іони HCO3- і Са2+ ;

       б) в солонуватих водах –  SO42- і Са2+,або SO42- і Na2+;

       в) в солоних та розсольних водах – Cl- і Са2+.

     3. Другорядні компоненти

       До другорядних компонентів відносяться  такі,які характеризуються або  високим кларком і низькою розчинністю, або невеликим кларком і доброю розчинністю солей. На відміну від головних компонентів вони присутні у природних водах у підпорядкованій кількості. До другорядних прийнято відносити азотисті сполуки (NH4+, NO4-, NO2-), залізо (Fe),алюміній (Al), двуокис кремнію(SiO2).Вони майже завжди присутні у воді ,але вмівт їх невеликий, бо один із визначаючих їх ознак пригнічений.

     Азотні  сполуки надходять у воду внаслідок  мікробіологічних процесів та діяльності людини. Іони амонію (NH4+) утворюються  при розкладанні білку тварин і рослин під дією бактерій амоніфікаторів.У природних водах вміст NH4+ звичайно не перевищує 0.01-0.1 мг/л і тільки у водах нафтових родовищ досягає 100-200 мг/л. Іон NH4+ нестійкий.У присутності кисню під впливом бактерій нітрифікаторів амонів переходить у нітрит (NO2-),а потім у нітрит (NO3-).Вміст NO2- і NO3- у природних водах не перевищує 0.01-0.5 мг/л,лише у грунтових водах в районах ,де грунти здобрюються азотними речовинами,вміст NO3- може досягати 2-3 г/л.

       Оскільки азотні сполуки-продукт  розкладання білків,які є сприятливим  середовищем для розвитку хвороботворних  бактерій,вони служать показником  забруднення підземних вод.Іони NH4+ і NO2- свідчать про свіже забруднення,іони NO3– про “старе”.Вміст NO2- у питних водах не повинен перевищувати 50 мг/л (викликає захворювання крові у дітей та тварин).

       Залізо широко розповсюджене  у земній корі,у природній воді  у двовалентному (Fe2+) і тривалентному  стані.Закисне залізо легко мігрує у кислих водах і дуже слабо у прісних.Fe2+ нестійкий і легко переходить у окисне залізо Fe3+, яке мігрує у воді дуже слабо.

     Природні  води частіше нейтральні,тому вміст  у них заліза звичайно не перевищує  перших одиниць мг/л.Тільки у сильно кислих водах -досягає 100 мг/л.Залізо у невеликих кількостях корисний компонент-приймає участь у кровотворенні,але вміст його у питній воді не повинен перевищувати 0.3 мг/л. 

     4. Мікрокомпоненти.

     Під мікрокомпонентами розуміють хімічні елементи і сполуки,вміст яких у підземних водах не перевищує 10 мг/л (іноді зустрічаються їх вміст у водах до 100 мг/л і більше).

     Мікрокомпоненти містяться у підземних водах зазвичай в невеликих кількостях (у міліграмах, мікрограмах і частках мікрограмів в 1 дм³).

     До  мікрокомпонентів відносять такі елементи , як : J, Br, Li, В, F, Ті, V, Cr, Mn, Со, Ni, Си, As, Мо, Ва, тощо, а також такі рідкі як Rb, Аи, Hg. Мікрокомпоненти не визначають хімічного типу підземних вод,але надають їм деякі специфічні властивості.

       Встановлено ,що велика кількість  з них має великий вплив  на життєдіяльність людини,тварин  та рослин (I, F, В, Со, Си, Zn, тощо). В деяких містах перевищення,або нестача мікокомпонентів  у воді приводить до захворювань.Такі хвороби називають геохімічними ендеміями. Найбільш відомою з таких захворювань є ендемічний зоб (захворювання щитовидної залози) обумовлений нестачею йоду (J) у зовнішньому середовищі.

       Висока концентрація у воді  фтору (F) приводить до захворювання  ендемічним флюорозом (захворювання  зубів та кісткового скелету).

       У питній воді вміст фтору  не повинен перевищувати 1.5 мг/л  при оптимальній нормі 0.8-1.0 мг/л.Захворявання флюорозом починається при наявності у воді фтору 4-6 мг/л.

       Деякі мікрокомпоненти (Br, J, Sr та ін.) використовуються для визначення умов формування підземних вод .Так у грунтових вод співвідношення В і Сl становить біля 2*10-4,в розсолах нафтових родовищ -0.02, в термальних водах -до 0.1.

       Високий вміст деяких мікрокомпонентів у підземних водах дозволяє використовувати останні, як мінеральну сировину для видобутку корисних компонентів(J, Вr, В, Zi та ін.). Крім того ,підвищений вміст мікрокомпонентів у підземних водах є пошуковим критерієм на рудні корисні копалини.

     5. Радіоактивні елементи.

     Відмінною ознакою радіоактивних елементів  є постійність їх ядер, в результаті чого відбувається їх постійний розпад з утворенням інших елементів, а  також виділення радіоактивного випромінювання.

       Серед природних радіоізотопів  виділяють первинні та вторинні. Перші знаходяться у первозданних  породах Землі і характеризуються  тривалим періодом напіврозпаду (К40, Rb27, Th232, U235, U238) до другорядних  відносяться Ra226, Ra228, Rn222.

       Концентрації радіоактивних компонентів  виражаються як у ваговій формі  (г/л,г/кг,мг/л),так і у одиницях  радіоактивного випромінювання (кюрі,…).

       Уран зустрічається у всіх  підземних водах у мікрокількостях -1*10-6 -1*10-7 г/дм3 і тільки на уранових родовищах концентрація його збільшується до 5*10-4 г/дм3. У питних водах вміст раюію не повинен перевищувати 5*10-5 г/л.

     Наявність у воді U238 свідчить про небезпеку  хімічної токсичності.

       Радій є другорядним елементом: Ra226-продукт розпаду U238, Ra228 утворився  від Th232. Радій дуже сорбується глинистими породами та каолінами, тому рухливість його у гідросфері дуже мала. У глибоких горизонтах та на родовищах урану концентрація радію сягає 1*10-9 г/л. У питних водах допускається вміст радію до 1*10-11 г/л. Ra226 вважається найпрактичнішим з усіх неорганічних речовин.

       Радон – це радіоактивний газ,  продукт еманації радію. Має  12 короткоживучих ізотопів,з яких  найбільш розповсюджений Ru222, що  утворюєтьсяч він при розпаді Ra226. Період напіврозпаду Ru222 – 3.8 діб. Зустрічається родон у підземних водах, що стикаються з радіоактивними породами (у тектонічних розломах у кристалічних породах,на уранових родовищах).

     Вміст Rn222 тут коливається від одиниць  еману до декількох тисяч еман.

       Калій-40 складає біля 0.012% природного  калію,але забезпечує майже весь  радіоактивний фон підземних  вод .У питних водах кількість  його не перевищує 3*10-4 мг/л.Вміст К40 у питних водах не вважається небезпечним для здоров”я людини.

       Тритій (Н3) і радіовуглець (С14) утворюються у верхніх шарах атмосфери під дією космічного випромінювання.Період напіврозпаду Н3 біля 12.5 років.Наявність Н3 у підземних водах атмосферного походження використовується для визначення їх віку та умов руху і формування.

       Радіовуглець (С14) мігрує у підземних водах у вигляді С14О2. Період напіврозпаду С14 -5.5*103 року. По відношенню С14/С12 визначають вік органічних залишків чи карбонатних сполук,а також підземних вод ,в яких розчинені карбонатні мінерали.

     Радiоактивнi (радоновi) – води Хмельника в Українi, Цхалтубо i П’ятигорська, вони є в Забайкаллi, Киргiзiї, на Алтаї. 

      6. Органічні речовини та мікроорганізми.

     Упідземних водах із органічних речовин найчастіше зустрічаються гуминові кислоти, бітуми, феноли, жирні кислоти,нафтенати тощо.

     Джерелами надходження органічних речовин  у підземні води являються атмосферні опади,поверхневі води,грунти,залежи нафти,вугілля,торфу.

       Загальна кількість органічних  речовин у воді визначається  за значенням окислювальності під якою розуміють кількість кисню чи марганцевокислого калію(КмпО4),що витрачається на окислення органічної речовини.При цьому вважається,що 1 мг кисню чи 4 мг КмgО4 відповідають 21 мг органічної речовини.

     Мікроорганізми  у підземних водах представлені різними бактеріями,що належать до числа одноклітинних, рідше багатоклітинних, Вирогідною межею розповсюдження їх у підземній гідросфері є глибина температур вище 1000С ,яка частіше відмічається на значних глибинах-4-5 км від денної поверхні. Бактеріїї активно приймають участь у формуванні хімічного складу води,переробляючи в процесі своєї життєдіяльностї органічнї та неорганічнї сполуки Частіше це залізобактерії,сіркобактерії,бактерії нітрифікатори та ін.Деякі бактерії нешкідливі для організму,деякі хвороботворні.

     7. Розчинні у воді гази.

     Із  газів,що поширені у підземних водах  найбільш поширені кисень (О2),вуглекислий  газ (СО2),сірководень (Н2), метан (СН4), азот (N2) та ін. Гази у воді знаходяться у розчинному стані. При зменшенні тиску вони мають переходити у вільний стан і виділяються із води.

     Кисень  переважно атмосферного походження,тому знаходиться,в основному, у водах  приповерхневої частини земної кори (зони аерації, грунтових та неглибоко залягаючих артезіанських водоносних горизонтах). Вміст кисню у підземних водах змінюється від 0 до 15 мг/л. Кисень є окислювачем для речовин з перемінною валентністю.

       Вуглекислий газ надходить у  підземні води із повітря атмосфери,крім  того виникає при біохімічних  та хімічних процесах ,що проходять  у товщах земної кори,а також  при вулканічних та метаморфічних  процесах.Вміст СО2 у підземних водах зменшується зверху вниз,але схема його розповсядження значно нижче ніж у О2.Концентрація СО2 у воді коливається від 0 до 25мг/л,на родовищах мінеральних вод вона іноді досягає 2-3г/л.

     Сірководень накопичується у воді переважно  внаслідок відновлення сульфатів  під дією десульфуючих бактерій,або в умовах високих тиску та температури та при вулканічних процесах. Кількість Н2S у підземних водах коливається частіше від 0 до 50мг/л і тільки в межах газонафтових родовищ досягає 1000-2000мг/л.

       Водень накопичується у підземних  водах в процесі десоціації води,при розкладанні органічних речовин і при вулканічних процесах.Концентрація іонів водню у підземних водах змінюється від 10-4 до 10-9.

       Метан у підземних водах утворюється  в результаті біохімічних процесів  при розкладанні органічних речовин  в нафтогазових та вугільних  районах,в районах болот та торфяних озер.

     Колоїди та механічні суміші у підземних  водах зустрічаються дуже рідко.Розміри їх часток у десятки разів перевищують частки істиних розчинів. У підземних водах зустрічаються переважно колоїди алюмінію, заліза, кремнезему. В колоїдних частках SiO2 зустрічаються, наприклад, декілька сотен молекул. Колоїди мають велику питому внутрішню поверхню часток і електричний заряд. Частки механічних сумішей дуже великі(більше 100 мікрон) і можуть знаходитись у воді,що рухається із значною швидкістю (карстові води). 

     Використана література:

1. Рудько Г.І. Гідрогеохімія. – ВПЦ “Київський університет”, 2007
2. www .geolab.com.ua
3. www.npu.edu.ua