Минеральные воды. 2

      Введение.

      Нашу  планету можно назвать водной  или гидропланетой. Общий баланс  воды в земной коре складывается из вод Мирового океана, ледников, озер и рек, вод атмосферы и литосферы (подземной гидросферы). Все это составляет около 1,8 млрд. км³ воды. Значительное  количество соленые и минерализованные воды разных составов. Для глубинных зон земной коры характерны минеральные воды, т.е. воды, обладающие минерализацией свыше 1 г/л и содержащие в себе ряд химических компонентов.

      Именно  минеральным водам посвящена моя курсовая работа. Целью моей работы является освещение основных вопросов о минеральных водах, об их классификации, особенностях химического состава, газового и температурного режима, условиях образования, закономерностях залегания и распространения, а также об их использовании и действии на организм человека. Отдельная глава моей работы включает в себя сведения о минеральных водах Волго-Уральской области на примере источников, находящихся на территории Самарской губернии.

      Я выбрала эту тему, потому что она заинтересовала меня своей актуальностью, широтой и значимостью. Минеральная вода является своего рода природным лекарством, созданным самой природой. Оздоравливающее действие минеральной воды на организм человека, ее лечебные свойства с глубокой древности. На базе месторождений минеральных вод построены курорты, санатории, здравницы, заводы по разливу минеральных вод. Наконец, минеральные воды пригодны для извлечения из них полезных компонентов и добычи солей. Все это говорит о важности, значимости и актуальности темы моей курсовой работы.

           ГЛАВА 1: Общая характеристика минеральных вод.

1.1  Понятие  о минеральных водах и критерии  их оценки.

К минеральным водам  относятся подземные (иногда поверхностные) воды, характеризующиеся повышенным содержанием биологически активных компонентов и обладающие специфическими физико-химическими свойствами (химический состав, температура, радиоактивность и т.д.), благодаря которым они оказывают на организм человека лечебное действие.[1]

      Минеральные  воды в широком понимании слова  – это подземные и поверхностные  природные воды с общей минерализацией  свыше 1 г/л, которые используются в лечебных и промышленных целях. Лечебными называются такие воды, которые вследствие своих физических и химических особенностей оказывают благотворное целебное воздействие на человеческий организм: например, углекислые, сероводородные и др. К промышленно-ценным относятся воды, из которых могут быть извлечены компоненты, полезные в народном хозяйстве (поваренная соль, бром, йод, бор и др.).

      Для  отнесения природных вод к  минеральным разработаны специальные  критерии. [2]  При отборе критериев оценки минеральных вод из значительного количества данных, характеризующих их химические и физические свойства были отобраны важнейшие, определяющие физиологическое, а следственно лечебное, действие вод, а также важные в отношении выявления их генетических типов.

      К числу  таких признаков были отнесены  в согласии со взглядами большинства бальнеологов и гидрогеологов:

       а)  общее содержание растворенных  в воде веществ – общая минерализация  вод;

       б)  ионный состав минеральных вод;

       в)  газовый состав и газонасыщенность  вод (растворенные и спонтанные);

       г)  содержание в водах фармакологических (терапевтических) активных микроэлементов (минеральных и органических);

       д)  радиоактивность вод;

       е)  активная реакция вод, характеризуемая  величиной рН;

       ж)  температура вод. [3]

      Наряду  с обычными пресными водами, которые повсеместно используются как питьевые, хозяйственные, технические, в природе существуют такие разнообразные по своим свойствам природные воды, которые не всегда могут или совсем не могут быть использованы для указанных целей. Среди этих вод холодные и горячие воды лечебного, промышленного и теплоэнергетического значения. Такие воды называют минеральными, а все другие воды на Земле – неминеральными.

      Минеральные  воды не стоит путать с минерализованными.  В широком смысле слова все  воды в природе в той или иной мере минерализованы, начиная от снеговых и заканчивая рассолами. В узком смысле слова к минеральным относят воды с общей концентрацией солей свыше 1-2 г/л.

      Исходя  из принципа единства вод Земли,  согласно В.М.Севергину и В.И.Вернадскому, к минеральным следует отнести:

1. минеральные озера с их лечебными и торфяными грязями;
2. минеральные подземные воды с их отложениями – охры, туфы, некоторые рудничные воды;
3. воды и грязи грязевых вулканов.

      Минеральные  озера и грязи, подземные минеральные воды с их отложениями составляют гидроминеральные ресурсы нашей планеты. На базе разведанных месторождений минеральных вод построены курорты, санатории, здравницы, заводы по разливу минеральной воды, извлечению из нее полезных компонентов, добыче солей и т.д.

       Лечебные  свойства природных вод нередко  бывают обусловлены присутствием  в них в небольшом количестве  таких компонентов, которые оказывают  на организм человека терапевтическое  активное «специфическое» влияние  и способствует исцелению от  недугов. Эти вещества получили название физиологически активных или специфических (I,Br и др.). В некоторых случаях лечебное воздействие на организм человека оказывают заключенные в воде органические вещества (вода «Нафтуся»).

      На разных  этапах геологического изучения минеральных вод высказывалось мнение об их необычной природе и глубинном происхождении. По мнение постепенно рассеялось. Действительно, некоторые минеральные воды, особенно термальные, формируются на больших глубинах. Но часто встречаются не менее ценные минеральные источники, связанные  с верхними водоносными горизонтами до грунтовых  вод включительно – некоторые сероводородные, железистые, радоновые воды. Существует, наконец, и большая группа минеральных озер.

2.  Признаки минеральных вод.

Внешние признаки: по запаху отличаются сероводородные воды иногда на значительном расстоянии от места выхода; по вкусу – соленые воды и рассолы,  углекислые воды; по бурному выделению пузырьков спонтанного газа в головке источника – углекислые воды; по цвету и составу отложений источников – железистые отложения, охрь красно-бурого цвета (признак железистых вод), кремнистые отложения – гейзериты (признак кремнистых вод), белые известковые отложения, травертины, известковые туфы (углекислые, кальциевые воды), фтороносные гейзериты (фтористые гидротермы).

Температура: горячие воды можно выделить по ощущению, а тем более замером температуры.

Химический  и газовый состав: по составу воды и растворенных в ней газов выделяют воды содовые, сульфатные, хлоридные, йодистые, бромистые и др. Опыт народного врачевания или использование воды для выварки поваренной соли: эти признаки выявляются опросом населения и позволяют установить место выхода минерального источника для постановки на нем контрольных исследований. [2]

       1.3 Минеральные воды как полезное ископаемое.

      Минеральная  вода как полезное ископаемое  – это такая вода, которую можно  непосредственно использовать в  лечебном деле или для извлечения  из нее компонентов, полезных  для народного хозяйства –  солей, металлов (Cu), металлоидов (I, Br, B), газов (углекислоты) или в теплоэнергетическом деле для теплофикации. Только после изучения химических, физических и прочих свойств природной воды можно решить вопрос о том, рассматривать ее как полезное ископаемое или нет.

      Минеральные воды проявляются весьма разнообразно, поэтому при их изучении следует различать следующие гидроминеральные объекты:

1. Месторождения минеральных вод: 

          а) подземные – пластовые, трещинно-жильные,  сложные;

          б) поверхностные – озера, лиманы, моря с их грязями, донными отложениями и пляжами.

       2)  Водопроявления минеральных вод  – источники:

          а) природные, в том числе  гейзеры, субаквальные источники,  грязевые вулканы;

          б) искусственные  вскрытия и выходы через скважины, штольни, колодцы и т.д.

        3) Отложения  наземных и подземных минеральных  вод: туфы, гейзериты, травертины, охры, залежи солей, жильные образования;  грязи озер – минеральные и  торфяные; грязи грязевых вулканов; отложения пляжей.

        4)   Гидроминеральные группы объектов минеральных вод:  

                а) гидроминеральные, гидротермальные  поля;

                б) гидроминеральные, термальные  линии (зоны);

                в) цепочки минеральных озер, поля  минеральных озер.

        5)  Гидроминеральные районы, области, провинции минеральных вод;                             зоны минеральных озер.

             6) Гидрохимические пояса и гидрохимические  зоны подземных            минеральных вод.[2]                      

4. Классификация минеральных вод.

      Большинство  выдвинутых в разное время  классификаций основано на особенностях  химического или газового состава  вод, причем за основу выделения  классов обычно принимали либо  преобладающие ионы, либо микроэлементы,  либо газы и т.д. Основной недостаток этих классификаций – отсутствие принципа комплексности в оценке минеральных вод.

      В.В.Иванов и Г.А.Невраев  в целях более комплексной  оценки различных минеральных  лечебных вод разработали классификацию,  основанную на основных критериях их оценки и данных о закономерностях формирования минеральных вод. Исходя из реально существующих в природе типов вод, они предложили такую классификационную таблицу, в которой каждой воде отведено строго определенное место. Такая классификационная таблица имеет важное практическое значение: пользуясь методом аналогии и сопоставления, можно судить о лечебных качествах вновь полученной воды (из-за больших размеров таблица здесь не приводится).

      Согласно классификации  Иванова и Невраева, все природные (подземные) воды разделяются по составу, свойствам и лечебному значению на шесть основных бальнеологических групп.

      Группа А. Воды без «специфических» компонентов и свойств. Их лечебное значение определяется только ионным составом и величиной минерализации при наличии в их газовой составляющей в основном азота и метана, которые содержаться в водах в растворенном состоянии при атмосферном давлении лишь в незначительных количествах.

      Группа Б. Воды углекислые. Их лечебное значение определяется, прежде всего, наличием больших количеств растворенного углекислого газа, который в общем газовом составе этих вод занимает доминирующее положение (80-100%), а также ионным составом и величиной минерализации.

      Группа В. Воды сероводородные (сульфидные). Эти воды выделены по наличию в их составе свободного сероводорода и гидросульфидного иона, которые и определяют лечебное действие минеральных вод, используемых преимущественно для ванн. Содержание общего сероводорода этих вод не должно быть ниже 10 мг/л.

     Группа Г.  Воды железистые (Fe   + Fe ), мышьяковистые (As) и с высоким содержанием Mn, Cu, Al и др. Их лечебное действие определяется, помимо ионного и газового состава и минерализации, присутствием одного или нескольких из перечисленных фармакологически активных компонентов. Для содержания в этих водах Mn, Cu, Al нормы не установлены. В повышенных концентрациях эти элементы содержатся обычно только в высоко железистых сульфатных водах зоны окисления рудных месторождений, а также в сильно сульфатных и хлоридносульфатных (фумарольных) термах вулканических областей.

       Группа Д. Воды бромистые (Br), йодистые (I) и высоким содержанием органических веществ. Для отнесения вод к бромистым и йодистым (или йодо-бромистым) принято содержание брома 25 мг/л и йода 5 мг/л при минерализации не более 12-13 г/л. При более высокой минерализации нормы соответственно увеличиваются.

      Достаточно  обоснованных норм для оценки  высокого содержания органического  вещества в лечебных минеральных водах пока не разработано. Известны два типа минеральных вод с высоким содержанием органического вещества – Нафтуся (Западная Украина) и Брамштедтские (ФРГ).

      Группа Е. Воды радоновые (радиоактивные). К этой группе относятся все минеральные воды, содержащие более 50 эман/л (14 ед. Махе) радона.

      Группа Ж. Кремнистые термы. В эту группу вод включены широко распространенные в природе кремнистые термальные воды. В качестве условной нормы содержание в них принято 50 мг/л, при температуре более 35ºC.

      Далее,  группы вод по газовому составу  делятся на три подгруппы: а)  азотные, в которых газ имеет  в основном атмосферное происхождение;  б) метановые (включая азотно-метановые  и углекисло-метановые), в которых газ в основном биохимического происхождения; в) углекислые, в которых газ, как правило, эндогенного происхождения. К последней группе отнесены и вулканические газы, где почти всегда резко преобладает углекислый газ.

      В минеральных  водах группы А могут присутствовать азотные и метановые газы; в группах В и Ж – азотные, метановые и углекислые; в группах Г и Е – азотные и углекислые; в группе Д – азотные и метановые; все воды группы Б только углекислые.

      Одновременно  все минеральные воды разделены по составу и минерализации на 9 классов (приложение 1). При этом учитывались все ионы, содержащиеся в количествах не менее 20% экв. Как видно из приложения 1, первый класс объединяет в себе все воды с общей минерализацией до 2 г/л, независимо от их состава, так как при такой невысокой минерализации лечебное действие минеральной воды определяется не ионным составом, а наличием каких-либо фармакологически активных микрокомпонентов или специфических свойств. Во всех остальных классах число подклассов колеблется от 3 до 7.

      В приложении 1 выделено несколько градаций минерализации: до 2, 2-5, 5-15, 15-35, 35-150 и выше 150 г/л. Такое подразделение, удобное в бальнеологическом и генетическом отношении показывает обычную наиболее часто встречающуюся в природе минерализацию типов минеральных вод.

      По температуре  минеральные воды разделены на  три группы:

1. всегда холодные, формирующиеся, как правило, на небольших глубинах;
2. холодные, теплые или горячие в зависимости от глубины циркуляции;
3. всегда горячие, генезис и особенности состава которых тесно связаны с их территориальностью. К последним относятся все термы, входящие в группы В и Г. (приложение 2)

      По величине pH воды разделены на 6 групп. Величина pH имеет особо важное значение для лечебной оценки сероводородных (сульфидных) вод, поскольку ею определяется соотношение в водах свободного и , а также кремнекислых терм, количество и форма нахождения в которых зависит от щелочности или кислотности вод.

      Такое  деление минеральных вод по  величине pH – по кислотно-основным свойствам – уточнено и более хорошо обосновано в физико-химическом отношении А.Н.Павловым и В.Н.Шемякиным.

      Эти  классификации лечебных, промышленных  и теплоэнергетических вод имеют частный характер и специальное назначение. Известны многочисленные попытки составить общие, естественноисторические, генетические и другие классификации природных вод по составу и минерализации.

      Классификация  минеральных вод Иванова и Невраева по минерализации предназначены для лечебных вод и не пригодны для промышленных и теплоэнергетических. В приложении 3 предлагается общая классификация вод по минерализации. [2]

      1.5 Солевой и газовый состав  минеральных вод и их газовый и температурный режим.

      Формирование  состава минеральных вод протекает  в различной геологической обстановке, в условиях растворения и осаждения  солей, обменно-адсорбционных явлений,  процессов диффузии и др. Большое  влияние на  изменение состава  вод оказывают и биохимические процессы, протекающие при деятельном участии микробов.

      При  выходе на земную поверхность  минеральная вода вследствии  изменения термодинамических условий  (температуры, давления) претерпевает  глубокие изменения.

      Значительная часть газов, находящихся в минеральной воде начинает выделяться в атмосферу путем диффузии; в результате нарушается сульфидно-карбонатное равновесие, изменяется окислительно-восстановительный потенциал, pH, выпадают карбонаты.

      При  соприкосновении минеральных вод с воздухом некоторые ионы ( , , , и др.) и их соединения окисляются и в результате появляются новые ионы и соединения (приложение 4). [4]

      Состав минеральной воды указывают по формуле, предложенной учеными М.Г.Курловым и Э.Э.Карстенсом. В начале формулы дается содержание газа ( , и др.) и активных элементов (Br, I, Fe, As и др.) в граммах на 1 литр. Радиоактивность выражается в единицах Махе или в расп/сек (1 ед. Махе =  расп/сек ). Степень минерализации обозначается знаком М (сумма анионов, катионов и недиссоциированных молекул) и выражается в граммах. Отношение преобладающих анионов и катионов изображается в виде условной дроби, в числителе которой – преобладающие анионы, в знаменателе – катионы. В конце формулы указывается температура (Т) воды минерального источника при выходе в градусах Цельсия, а также водородный показатель (pH).

      Пример  характеристики кисловодского нарзана:

Расшифровывается эта  формула следующим образом: углекислая гидрокарбонатно-сульфатная кальциево-магниевая вода с минерализацией 2,3 г/л с температурой 14 градусов Цельсия и pH =6,2. [1]

      Газовый состав.

      В характеристике  подземных минеральных вод важное  значение имеет равновесие: подземные  воды  природные газы. Обычно газ растворен в воде, но при избытке часть его может находиться в свободном (спонтанном) состоянии, т.е. в виде мельчайших пузырьков. Природные газы представляют собой, как правило, газовые смеси, в которых можно различать главные и второстепенные компоненты. Тем не менее, наблюдаемое разнообразие природных газов по составу можно свести к трем группам: углекислые, азотные, углеводородные. Остальные газы представляют примеси. Главным компонентом углеводородных газов является метан.

      Растворимость  газов зависит от их состава, температуры, давления, минерализации и солевого состава воды. С повышением температуры при постоянном давлении растворимость газов в воде и водных растворах уменьшается, при низких температурах сильнее, чем при высоких. Растворимость газов уменьшается с увеличением концентрации растворенной в воде соли.

      Вследствие  падения давления при подъеме  насыщенных газов подземных минеральных  вод к дневной поверхности  избыток газа выделяется из  воды и образуются газирующие  источники. Если в  воде присутствуют соли, растворимость которых определяется концентрацией газа в воде, то при выделении газа равновесие нарушается, и часть солей выпадает в осадок. Обычно выпадают карбонатные соли.  Соли могут отлагаться и до выхода воды на поверхность. Вследствие этого эксплуатационные буровые трубы заполняются отложениями солей и преждевременно выходят из строя.

      В генетическом  отношении различают газы магматического, метаморфического, химического, биохимического, радиационно-химического, радиогенного  и ядерного происхождения.

      В земной  коре в газообразном виде встречаются углекислота, кислород, азот, углеводороды, водород, гелий и другие благородные газы, окислы азота, аммиак, сероводород, окислы серы и другие соединения. Одной из важных составных частей лечебных минеральных вод, обусловливающих их отличие от обычных пресных вод действие, является углекислый газ ( ). Наличие в воде определенных количеств этого газа придает ей специфические черты. Углекислые газовые воды представляют особую лечебную ценность, как при внутреннем, так и при наружном применении. Даже обычная пресная вода, насыщенная углекислотой, становится эффективным лечебным средством.

      Углекислота  играет особо важную роль в  гидрохимических процессах.

      Накопление больших количеств углекислоты в земной коре обеспечивается метаморфическими, особенно магматическими процессами и в меньшей степени – биохимическими реакциями. В этой связи различают углекислоту неорганического и органического происхождения. Углекислые газовые воды распространены в областях современного и недавно потухшего вулканизма, а также в областях с мощным развитием битумозных пород.

     Углекислые  воды отличаются разнообразным  ионным составом, что указывает  на возможность обогащения эндогенной углекислотой подземных вод различного исходного химического состава и минерализации.

      Следующим  газом, имеющим важное бальнеологическое  значение, является сероводород.  По наличию в составе вод (сероводорода) и (сульфидов) выделена группа сероводородных (сульфидных) вод. В природных водах может присутствовать в виде растворенного газа и диссоциированной сероводородной кислоты.

       Соотношение форм  в воде устанавливается по величине pH. В кислотной среде присутствует преимущественно , щелочной и только в сильно щелочной среде становится возможным появление иона . Сероводород в воздухе крайне неустойчив, окисляется с образованием воды и .

       В зависимости  от степени диссоциации  различают две разновидности вод: собственно сероводородные и гидросульфидные или гидросернистые, содержащие преимущественно ионы . Существует и промежуточная разновидность гидросульфидно-сероводородных вод. С названными разновидностями парагенетически связаны свои особые химические типы минеральных вод.

       Появление сероводорода  в природных водах обусловлено причинами органического и неорганического характера. Сероводород является одним из продуктов распада белкового вещества, содержащего серу, поэтому сосредоточен он часто в природных слоях водоемов – месте гниения органических остатков. Кроме того, сероводород образуется путем восстановления сульфатов в анаэробных условиях. Большие количества выделяются вулканическими газами.

       Концентрация  зависит от наличия органического вещества, содержания сульфатов и других причин. Из-за очень высокой растворимости , воды, насыщенные этим газом в земной коре, по-видимому, не встречаются.

       Газ – азот ( ), будучи по природе инертным, все же участвует в гидрогеохимических процессах, косвенно являясь первопричиной появления в воде ионов , , . Растворенный в минеральных водах азот преимущественно воздушного происхождения. Наряду с этим в природе широко распространен азот биогенного происхождения. Какие-то количества азота, по-видимому, выделяется из мантии.

       Газ метан относится  к числу распространенных в  подземных водах. В газовой  фазе подземных вод почти всегда  количественно преобладает  либо азот, либо двуокись углерода, либо метан, или два из этих газов в различных сочетаниях. Основными источниками образования метана и других углеводородных газов в природе служат дисперсные органические вещества в осадочных породах, а для метана – еще и угольные пласты. Главной частью углеводородных газов является метан, на долю которого нередко приходится более 90%. Метан может быть и вулканического происхождения. Накоплению в водах растворенных углеводородов способствует наличие пород, обогащенных органическими веществами, и повышенная температура, усиливающая процессы образования и выделения углеводородных газов. Содержание растворенных углеводородов в водах увеличивается с ростом глубин залегания.

      Прослеживая в  региональном плане взаимосвязь химического и газового состава минеральных вод, можно выделить территории, в пределах которых распространены определенные типы минеральных вод с характерным химическим и газовым составом.

       Температурный режим.    

      Температура минеральных  вод может изменяться в очень широком диапазоне: от 0 C и даже ниже (в области многолетней мерзлоты) до 200-300 (в областях современного вулканизма). Согласно современным представлениям о механизме действия лечебных минеральных вод, температура воды не может быть признаком, отличающим действие того или иного источника от действия обычной пресной воды. Температура воды источника, без наличия других показателей, не может служить основанием для отнесения минеральной воды к лечебным.

      Тем не менее,  при оценке минеральной воды  температура должна приниматься  во внимание, поскольку она является  одним из ведущих факторов  формирования химического состава  подземных вод. Горячая вода  обычно отличается по химическому  составу от холодной. За критерий, отделяющий теплые воды от холодных, принята температура 20 C. Существенное значение имеет температура минеральных вод при организации их лечебного использования. Воды с температурой 35-42 С наиболее ценны в бальнеологическом отношении, так как их применение не связано со специальными устройствами для нагрева или охлаждения, которые снижают природные свойства (содержание газов, радиоактивность, pH).

      Воды с температурой 20-30 нуждаются только в небольшом подогреве, который не вызовет заметных изменений в качестве лечебной воды, что имеет особое значение для слабо радоновых и слабо сульфидных вод. Воды с температурой выше 42 С требует специальных, иногда довольно сложных устройств для охлаждения с минимальными потерями лечебных свойств. Такие устройства должны предотвратить утечку газов и радона из минеральной воды.

      С повышением температуры  изменяется растворяющая способность  воды. Наиболее распространенные в природных водах соли, обусловливающие минерализацию, по-разному реагируют на температурный фактор: растворимость одних солей сильно увеличивается с ростом температуры, других, наоборот, падает; некоторые соли слабо реагируют на изменение температуры.

      С ростом температуры  увеличивается диссоциация воды. В результате повышения температуры  и одновременно давления изменяется  не только химический состав  воды, но и ее реакционная способность.