Четвертый семестр / Четвертый семестр / Гидрогеология / Шварцев С.Л. Общая гидрогеология

активности ионов водорода в воде. Некоторое количество воды всегда диссоциирует на ионы по реакции

Вземных недрах широко представлены разные типы вод по величине рН

—от сильнокислых до сильнощелочных. Однако наиболее широко

распространены воды околонейтральные, т.е. нейтральные, слабокислые и слабощелочные. Практически все пресные воды земли относятся к этому

типу.

Разнообразие состава подземных вод во многом определяется наличием в них широкой гаммы органических соединений (рис. 5.1), компонентами которых являются представители всех химических групп (углеводы, белки, липиды) и классов (карбоновые кислоты, углеводороды, спирты, альдегиды, кетоны, амины и эфиры). В связи с трудностью анализа всех форм органических соединений на практике используют интегрированный показатель Сорг, характеризующий суммарное содержание всех водорастворенных органических соединений в 1 л воды. Численно Сорг составляет ~50% всех содержащихся в воде органических веществ в пересчете на их полную форму, хотя может достигать в отдельных случаях 80%. Для характеристики индивидуальных органических веществ используют также интегрированные показатели Nорг, Pорг и др. Содержание Сорг в подземных водах колеблется в весьма широких пределах: от не-

152

Рис. 5.1. Состав органических веществ, растворенных в подземных водах. П о

В.М. Швецу

скольких единиц до 1000 мг/л. Наиболее высокие его содержания связаны с газоконденсатными нефтяными месторождениями [13].

5.1.1. Ионно-солевой состав подземных вод

Химические особенности подземных вод определяются прежде всего их генетическим типом. Так, состав инфильтрационных вод формируется под

влиянием геолого-структурных и ландшафтно-климатических условий.

Особенно большое влияние оказывает количество выпадающих осадков и их испарение. Поэтому Г.Н. Ка-

153

менский грунтовые воды разделил на два типа: 1) грунтовые воды выщелачивания и 2) грунтовые воды континентального засоления. Первые

формируются в условиях гумидного климата, в котором осадки

преобладают над испарением, вторые — в условиях арид ного климата, в котором испарение преобладает над осадками. Средний состав тех и других

приведен в табл. 5.5. Подчеркнем, что

расчеты проводились нами только для зоны гипергенеза, понятие которой введено в науку академиком А.Е. Ферсманом. В настоящее время под зоной гипергенеза понимают зону действия инфильтраци-онных вод, залегающих в зоне активного водообмена, мощность которой колеблется от нескольких сот метров на платформах до 2-3 км в горно-складчатых областях.

Как показывают приведенные данные, воды зоны гипергенеза. являются умеренно пресными, нейтральными, гидрокарбонатно-суль-фатными кальциево- натриево-магниевыми, умеренно жесткими.

154

Томский исследователь М.Г. Курлов в 1928 г. предложил удобную формулу для выражения химического состава воды, которая представляет

собой дробь, в числителе которой расположены анионы в порядке

убывания их содержания в экв.-%, а в знамена теле — катионы. Слева от дроби дается общая минерализация воды в г/л, справа — специфические

для данной воды компоненты.

Формула Курлова для вод зоны гипергенеза имеет следующий вид:

Название воды в этой формуле дается отдельно по анионам и

катионам, содержание которых превышает 25 экв-% в убывающем порядке.

Воды выщелачивания в среднем выражаются следующей формулой Курлова:

т.е. эти воды умеренно пресные, нейтральные, гидрокарбонатные кальциево-магниевые, по жесткости мягкие. Содержания всех мак-

рокомпонентов в водах выщелачивания ниже, чем в водах зоны

гипергенеза, за исключением Сорг.

Грунтовые воды выщелачивания не однородны по составу и подчиняются широтной зональности. Наиболее пресными являются подземные воды провинции с развитием многолетней мерзлоты, которые характеризуются гидрокарбонатным кальциево-магниевым составом, с общей минерализацией 0,16 г/л, слабокислым характером среды, повышенным содержанием растворенных органических веществ и значением парциального давления СО2.

Весьма пресные (минерализация 0,18 г/л) гидрокарбонатные кальциево-магниево-натриевые воды формируются в условиях тропических и субтропических областей. Важной особенностью их является наибольшая для подземных вод кислотность, наиболее высокие среди вод выщелачивания содержания кремнезема, относительно высокие — калия и самые высокие — свободной углекис лоты при относительно низких концентрациях Сорг.

Следующей по мере увеличения степени минерализации подземных вод является область горных массивов, в пределах которой также формируются

пресные гидрокарбонатные кальциево-магниевые воды с минерализацией 0,2 г/л и характерной для них относительно повышенной щелочностью, обусловленной недостаточным нейтрализующим влиянием органических веществ. Подземные воды горных областей, в отличие от других, содержат наименьшие количества растворенного и минерализованного органического вещества. Наиболее минерализованы среди вод выщелачивания подземные воды областей умеренного климата, развитые на платформах, реже

155

на щитах и древних складчатых сооружениях. Относительно небольшой водообмен приводит к формированию в этих условиях близких к нейтральным гидрокарбонатных кальциево-натриевых вод с общей минерализацией 0,33 г/л. Рост суммы солей происходит в основном за счет

гидрокарбонатов всех основных катионов, т.е. складывается из сумм продуктов минерализации органического вещества (СО2) и продуктов

разрушения горных пород (катионы).

В отличие от вод выщелачивания грунтовые воды континентального засоления слабосолоноватые, слабощелочные, сульфатно-хло-ридно- гидрокарбонатные натриево-кальциево-магниевые

Следовательно, подземные воды зоны гипергенеза зональны: их соленость

исостав закономерно меняются при движении с севера на юг от зоны тундр к степным и пустынным ландшафтам. По мере уменьшения количества осадков

иувеличения испарения соленость воды возрастает в основном за счет роста

сульфатных и хлоридных солей натрия [сравните формулы (5.7) и (5.8)]. Затем еще южнее при движении от зоны пустынь к экватору количество осадков резко возрастает и общая минерализация воды соответственно резко уменьшается. Воды снова становятся гидрокарбонатными со сложным катионным составом, определяемым типом водовмещающих пород.

Сравнение среднего состава подземных вод зоны гипергенеза и речных вод показывает, что первые более чем в 3,5 раза выше обогащены солями, чем вторые. Даже воды выщелачивания почти в два раза являются более минерализованными по сравнению с речными (см. табл. 5.5). Подземные воды содержат в более высоких концентрациях не только все макрокомпоненты, но и подавляющее большинство микрокомпонентов

(табл. 5.6).

В случае проникновения инфильтрационных вод по зонам разломов на

значительные глубины, что особенно характерно для горно-складчатых областей, эти воды нагреваются, более активно взаимодействуют с горными

породами, соленость и щелочность их растут. Состав воды приобретает специфические черты, обусловленные повышенным содержанием кремнекислоты, фтора, ряда редких элементов, газов. Формируются так называемые азотные, углекислые, метановые, кремнистые и другие термы. Такие своеобразные термальные воды широко развиты не только в областях активного вулканизма, но и в складчатых, в первую очередь, молодых (области альпийской складчатости) или обновленных новейшими горообразовательными процессами регионах. Представление об их составе дает табл. 5.7.

Как видим, термальные воды инфильтрационного генезиса также являются пресными, гидрокарбонатно-сульфатно-натриевыми, слабощелочными с повышенным содержанием кремнезема и многих ме-

156

Таб лица 5 . 6

Средние содержания некоторых микрокомпонентов в подземных и речн ых водах,

мкг /л [ 26]

таллов. Практически все термальные воды являются лечебными и широко

используются для лечения разнообразных заболеваний. Наиболее известные курорты типа Боржоми в Грузии, Карлови-Вари в Чехии, Виши

во Франции, Белокуриха на Алтае связаны с таким типом вод.

157

Таб лица 5 . 7

Средний состав термальных вод Байкальской риф товой зоны [18]

В отличие от вод инфильтрационного генезиса седиментационные воды

образуют класс соленых и рассольных вод. Являясь изначально морскими и захороняясь в процессе геологического круговорота, эти воды образуют в

земной коре обширную ветвь соленых вод, которая, разветвляясь и

преобразуясь, формирует целый пояс разнообразных по составу подземных вод с повышенной общей мине рализацией. Такие воды широко развиты в

низах практически всех осадочных бассейнов и часто проникают в

фундамент платформ, щитов, раскрытых структур горно-складчатых сооружений. Типичным примером развития таких вод служит крупнейший в

мире Западно-Сибирский артезианский бассейн, центральная часть которого

заполнена седиментационными водами.

Рассматриваемый бассейн сложен платформенными песчано-гли-нистыми отложениями морского и континентального генезиса, образование которых

происходило в условиях нормальной или в отдельных случаях пониженной солености вод морского бассейна. Среднее содержание химических элементов

для вод нижнего гидрогеологического этажа этого бассейна приведено в

табл. 5.8.

Сравнительный анализ данных таблиц 5.5 и 5.8 показывает, что воды глубоких горизонтов рассматриваемого бассейна содержат, химические, элементы (кроме серы и Са) в более высоких, чем воды зоны активного

водообмена, концентрациях. Если, однако, учесть, что общая минерализация первых выше, чем вторых, в 41 раз, то степень концентрирования

подавляющего большинства элементов в глубоких водах оказывается значительно более низкой,

158

Табли цa 5 . 8

Среднее содержание химических элементов в седиментаиионных водах Западно - Сибирского артезианского бассейна (по данным A.Э. Конторови-ча, В.М. Матусевича, С.Л. Шварцева)

чем это могло бы быть при пропорциональном их накоплении. Из этого следует, что химические элементы в седиментационных водах накапливаются избирательно, а некоторые из них, например, SO42-, совсем не

концентрируются.

Важно сравнить также состав подземных вод с морскими, которые служили источником первых. Чтобы такое сравнение было более объективным, необходимо ввести поправочный коэффициент на возможное разбавление морской воды путем приведения концентраций хлора к одному показателю (см. табл. 5.8). При таком

159

Продолжение табл. 5.9

Содержание большей части микрокомпонентов в рассолах растет по мере их концентрирования. При этом рост части элементов резко превышает общий рост солености. Так, при переходе от слабых рассолов к предельно насыщенным общая минерализация возрастает в 6,1 раза, а содержание стронция — в 187, калия — в 135, брома — в 70, кальция — в 54, магния

— в 35 раз. Содержание сульфат-иона, наоборот, уменьшается более чем в

52 раза.

Кроме рассмотренных генетических типов вод в земной коре широко распространены термальные воды областей активного современного или недавнего вулканизма, новейших тектонических движений, рифтовых зон, генезис которых не всегда трактуется однозначно и, вероятно, является различным. В этой связи их часто называют просто гидротермами.

Типичным регионом, в котором широко развиты гидротермы, может служить Тихоокеанский сегмент Земли, характеризующийся интенсивным

проявлением современного вулканизма, активной сейсмичностью и исключительным разнообразием термальных вод. Геохимия современных гидротерм этой обширной территории была детально изучена Е.А. Басковым и С.Н. Суриковым [1], по данным которых и составлена табл. 5.10.

Полученные средние данные основного состава гидротерм Тихоокеанского сегмента в виде формулы Курлова выглядят следующим образом:

т.е. они являются слабокислыми, солоноватыми, хлоридными натриевыми с высоким содержанием сульфатов, калия, кремнезема и многих металлов, в том числе мышьяка, ванадия, германия, железа, алюминия и других.

Специфика состава гидротерм выявляется особенно наглядно, если сравнить их с составом соленых вод и рассолов (см. табл. 5.8 и 5.9). В этом

случае можно видеть, что хотя гидротермы имеют

161