Процеси формування хімічного складу

підземних вод і розсолів

Вміст і склад розчинених в природних водах речовин (іонів, солей, газів, колоїдів) формується в результаті взаємодії вод з оточуючим середовищем – породами, атмосферою, органічним світом, магмопроявами, а також при хімічних реакціях між різними компонентами і в деяких фізико-хімічних процесах, що відбуваються в самих водах.

Хімічний склад підземних вод частково “подається” вже “в готовому вигляді” із водойм, де відбувається осадконакопичення (седиментаційні води), частково формується в підземних умовах в результаті вилуговування порід (інфільтраційні води) та ряду інших процесів.

До процесів, які формують і змінюють склад речовин, розчинених у підземних водах, належать: вилуговування порід, обмінні реакції між водами і породами, окисно-відновні реакції, гідратація та дегідратація мінералів, фільтраційний і осмотичний ефекти в розчинах, дифузія іонів, солей і газів, гравітаційна диференціація розчинів.

Найбільше значення для формування іонно-сольового складу підземних вод має їх взаємодія з породами. При фільтрації вод через породи відбувається вилуговуванняпорід – розчинення ряду солей.

Моделювання формування хімічного складу вод при інфільтрації прісних вод в засолені породи, проведене А.Є. Орадовською, показало, що в породах вздовж по потоку утворюються три зони: зона повного вилуговування (прісна), зона поступового збільшення засоленості і невилужена зона.

Часткове сповільнення засолення вод при інфільтрації виникає внаслідок осмотичних явищ.

До найбільш розповсюджених в породах водорозчинних солей відносяться хлорид натрію, карбонат магнію (головним чином у складі доломіту), сульфат кальцію. Карбонат кальцію розчиняється значно гірше, але внаслідок надзвичайно широкого розповсюдження цієї солі в породах, її вилуговування має дуже велике значення.

Води, які вміщують вуглекислоту, розкладають нерозчинні у чистій воді силікати і алюмосилікати, внаслідок чого у водах з’являються карбонати і гідрокарбонати натрію, а також кальцію і магнію.

Окрім власне розчинення солей при вилуговуванні і промиванні порід прісними водами, велике значення має дифузія іонів солей із порід у води. Таким шляхом в загальний процес вилуговування втягуються ті частини породи, через які фільтрація прісної води безпосередньо не відбувається – пори і частини пор, зайняті різними видами зв’язаних вод, і т.д. Солі та іони під дією перепаду концентрацій переходять у слабомінералізовану воду, яка фільтрується. З однієї сторони відбувається дифузне вилуговування порід і вод, а з другої – дифузне засолення вод і порід.

Інший характер мають процеси катіонного обміну між водами і породами.

Найбільш важливе значення для формування складу підземних вод мають наступні процеси обміну катіонів між водами і породами.

1. Обмін катіонами між водами і поглинаючим комплексом порід (катіонний обмін у вузькому розумінні).

Колоїдні мінерали, переважно гідроалюмосилікати, які складають глини, вміщують в адсорбованому стані багато катіонів, в тому числі натрій, кальцій, магній. При взаємодії вод і порід в залежності від концентрацій катіонів в розчині і породах, а також від співвідношень цих концентрацій може відбуватись катіонний обмін.

Найбільше значення має обмін розчиненого у водах натрію (частково магнію) на кальцій породи, в результаті чого можуть формуватися води хлоридно-кальцієвого типу (за класифікацією Суліна). Схематично цей процес має такий вигляд:

2Na⁺+(Ca²⁺) = Ca²⁺+(2Na⁺)

Щоб процес відбувався у сторону витіснення кальцію із породи в розчин, необхідна деяка мінімальна концентрація натрію в розчині і поглиненого кальцію в породі. Іонно-сольовий комплекс води повинен бути відносно збагачений натрієм, а поглинений комплекс породи – кальцієм. В результаті води збагачуються кальцієм і завдяки переважанню в них серед аніонів хлор-іонів можуть переходити в хлоридно-кальцієвий тип.

На думку багатьох вчених, більше значення для формування складу підземних вод (особливо розсолів) має обмін не натрію, а магнію (також у вигляді хлориду) на поглинений кальцій:

Mg²⁺+(Ca²⁺) = Ca²⁺+(Mg²⁺).

2. Альбітизація кальційвміщуючих плагіоклазів та інших силікатів.

Значення цього процесу висвітлено у працях А.В. Копеліовича, Н.В. Логвиненка, Е. Дегенса та ін. Суть його полягає в обміні Ca²⁺, який входить в кристалічну решітку мінералів, на Nа⁺ розчину.

Відмінність від розглянутих вище процесів іонно-обмінної адсорбції по суті полягає лише в тому, що в обміні бере участь не поглинений колоїдний комплекс, а кристалічні мінерали.

Масштаби, в яких протікає альбітизація, поки ще недостатньо вияснені, але роль її у формуванні вод, що вміщують значну кількість кальцію, може бути великою.

3. Доломітизація вапняків – реакція Мариньяка – Курникова. Ця реакція виражається такою схемою:

MgCl₂+2CaCO₃ CaMgCO₃+CaCl₂

В. І. Лебедєв, В. Г. Гуревич, Л. Н. Капченко вважають даний процес вирішальним у формуванні розсолів хлоридно-кальцієвого складу. Процес може відбуватися не лише в карбонатних породах, але і в піщано-глинистих товщах, що вміщують розсіяні карбонати. Умовами його протікання служать: висока концентрація магнію в розчині (що зустрічається при захороненні ропи солених озер) і підвищенні температури (50-70^оС), тобто значні глибини.

Окрім мінеральної частини гірських порід на склад підземних вод (і особливо газовий склад) великий вплив мають органічні речовини і живі мікроорганізми. Із впливом органічних речовин і мікроорганізмів пов’язані окисно-відновні процеси, в тому числі відновлення сульфатів, яке має особливо велике значення для нафтових і газових родовищ.

Органічні речовини, в першу чергу вуглеводні, є відновниками кисеньвміщуючих речовин, розчинених у водах. Найважливішими з них є сульфат-іони, здатні до відновлення.

Реакція відновлення сульфатів в загальному вигляді може бути представлена наступним чином:

Me SO₄+2C =MeS+ 2CO₂

В результаті цього процесу води втрачають сульфати і органічні речовини, але збагачуються сульфідами та іншими відновленими формами сірки та вуглекислотою. Частина продуктів, які утворюються при відновленні сульфатів, переходить в газову фазу – сірководень, вуглекислоту.

Зміни в складі вод при відновленні сульфатів залежать від кількісних співвідношень між розчинними іонами, від того, які сульфати беруть участь в реакції. Якщо це сульфат натрію (тобто при надлишку натрію), то хід реакції наступний:

Na₂SO₄+2C+H₂O=Na₂CO₃+H₂S+CO₂

В результаті у воді з’являється сода, вода набуває лужності. В лужних водах відносно стійкими є гідросульфіди, в даному випадку NaHS. За участі сульфату кальцію реакція може бути виражена наступною схемою:

CaSO₄+2C+H О=CaCO₃+H₂S+CO₂

В цьому випадку з’являється важкорозчинний карбонат кальцію, який, як правило, випадає в осад. Певний вплив на хімічний склад підземних вод мають магматичні (включаючи пост магматичні) і метаморфічні процеси. За рахунок магматичних і метаморфічних процесів підземні води збагачуються вуглекислим газом та рядом другорядних компонентів. Виділення вуглекислого газу із карбонатних порід починається вже при температурі близько 100 ^оС.

На величину і склад мінералізації підземних вод впливають і такі явища, як випаровування води, гідратація мінералів (тобто захоплення води мінералами), фільтраційний ефект, особливо при переміщенні розчинів із більш проникних в менш проникні породи, і деякі інші, ще слабовивчені.

Випаровування води в газову фазу, представлену в основному метаном, ймовірно, може призводити до росту мінералізації тієї частини води, яка залишається в рідкому вигляді. Схожі процеси можуть відігравати значну роль лише при дуже високій насиченості водовміщуючих товщ вуглеводневими газами, а отже, розвинуті локально.

Фільтраційний або осмотичний ефект полягає у відставанні розчинної речовини від розчинника при фільтрації через слабопроникне середовище.

При переміщенні вод із більш проникних порід в менш проникні, а особливо при продавлюванні вод із пісків в глини в результаті фільтраційного ефекту мінералізація вод в пісках повинна зростати.

Велику дискусію викликає питання про вплив гравітаційної диференціації підземних вод на формування їх хімічного складу.

К.В. Філатов розвинув ідею про гравітаційну диференціацію іонного складу підземних вод під впливом відмінностей густини і розмірів в радіусі іонів, що є причиною виникнення гідрохімічної зональності. Проте цілий ряд дослідників переконливо показали недосконалість гіпотези К.В. Філатова.

Але в цілому впливом процесів гравітаційного розшарування розчинів на формування іонно-сольового складу підземних вод не можна нехтувати. При концентраційній конвекції в результаті перемішування розсолів, які рухаються вниз, і прісних слабомінералізованих вод, які рухаються їм назустріч, можуть з’являтися води і розсоли із складом, відмінним від первинних. Ці явища можуть впливати на формування хімічної зональності басейнів підземних вод.

Підвищення мінералізації підземних вод, незалежно від причини його виникнення, може призвести до випадання в осад найменш розчинних компонентів. Відбувається видалення із вод ряду солей, в першу чергу карбонату кальцію, пізніше сульфату кальцію і нарешті, навіть хлориду натрію. В породах, в яких залягають і циркулюють розсоли, появляються прошарки і прожилки, складені названими солями.

Окрім розглянутих вище процесів на формування іонно-сольового і газового складу підземних вод і розсолів впливає і змішування вод різного походження і складу (наприклад, таласогенних з метеогенними, більш древніх з більш молодими і т.д.).

При змішуванні вод з різними складами можуть відбуватися деякі обмінні хімічні реакції між різними розчинними компонентами. Прикладом таких реакцій може бути наступна:

Na₂CO₃+2CaSO₄=Na₂ SO₄+CaCO₃

При змішуванні лужних вод із сульфатними розчинами гіпсоносних товщ така реакція може призвести до переходу лужних вод у жорсткі.

Гідрогеологічний цикл

У розвитку гідрогеологічних процесів в межах якого – небудь району є певна циклічність. Гідрогеологічний цикл починається тектонічним опусканням і трансгресією, охоплює період наступного підняття і регресії і завершується перед наступним опусканням і трансгресією. Перша частина гідрогеологічного циклу закінчується, коли на значній частині, або на всій площі району, зайнятого седиментаційним басейном, від’ємний знак коливальних рухів змінюється на позитивний, відбувається підняття, регресія і починається денудація водоносних порід .

Цю частину гідрогеологічного циклу можна називати седиментаційним, або краще елізійним гідрогеологічним етапом. На протязі цього етапу формуються седиментаційні води і відбувається елізійний водообмін.

Друга частина гідрогеологічного циклу – інфільтраційний гідрогеологічний етап, на протязі якого відбувається інфільтрація метеогенних вод, формуються інфільтраційні підземні води, які поступово витісняють і заміщують седиментаційні води. Цей процес, який відбувається під дією градієнтів тисків і обумовлений масою вод, що інфільтруються, можна називатиінфільтраційним водообміном.

Інфільтраційний етап завершується, коли при новому тектонічному опусканні море перекриває наземні виходи водоносних порід і починається накопичення більш молодих відкладів, а інфільтрація припиняється. На цьому закінчується один гідрогеологічний цикл і починається новий.

На протязі елізійного етапу нового гідрогеологічного циклу відбувається накопичення седиментаційних вод в молодих відкладах. У відкладах, утворених під час попереднього циклу, зберігаються води останнього. Але в них відбувається перерозподіл вод: відновлюється витискання древніх седиментаційних (і відроджених) вод із глин в колекторські породи.

Таким чином, на елізійному етапі другого гідрогеологічного циклу (або просто на другому елізійному гідрогеологічному етапі) інфільтраційні води можуть витіснятися і заміщуватися седиментаційними водами у відкладах, синхронних до першого циклу.

Інфільтраційний етап нового гідрогеологічного циклу в деяких випадках (коли підняття по вертикалі настільки велике, що денудація захоплює і древні породи, синхронні першому циклу) може призвести і до інфільтрації метеогенних вод в древні відклади. Тоді нові інфільтраційні води витісняють збережені там древні води, залишки попереднього циклу – седиментаційні, інфільтраційні відроджені .

Далі може початися третій гідрогеологічний цикл, хід гідрогеологічних процесів в якому буде подібний до описаного вище, але в якісь мірі і відмінними від попереднього.

Таким чином, гідрогеологічний цикл – це відрізок гідрогеологічної історії району або гідрогеологічного (водоносного) комплексу, який починається із трансгресії, осадконакопичення і утворення седиментаційних вод, включає етап наступної регресії, денудації та інфільтрації і завершується новою трансгресією та припиненням інфільтрації. Схема гідрогеологічного циклу зображена на рисунку 6.4.

Подана вище характеристика понять (гідрогеологічний цикл, елізійний та інфільтраційний гідрогеологічні етапи) є схематичною і, звичайно, не відображає всієї складності цих явищ. У дійсності можуть бути складні цикли, коли район, який розвивався як єдине ціле, розпадається на ділянки із різною наступною історією: на одних продовжується інфільтрація, а другі опускаються і для них починається новий гідрогеологічний цикл. Елізійниий та інфільтраційний типи водообміну можуть співіснувати в межах одного басейну підземних вод. Суттєвим також є те, що елізійний гідрогеологічний етап може в деяких випадках проходити в континентальних умовах: при розвитку субаквальної седиментації в прісних і солонуватих водоймах або навіть при опусканні суші. В першому випадку будуть формуватися

метеогенні підземні води. Другий випадок, ймовірно, представлений “сухими” міжгірськими западинами типу Ферганської.

Слід розрізняти сучасний і древні гідрогеологічні етапи, сучасну і древню інфільтрацію.

Рисунок 6.4 – Схема гідрогеологічного циклу

1 – мули і глини, утворені на етапі А, які вміщують седиментаційні води; 2 – колектори, які вміщують седиментаційні води; 3 – колектори, які вміщують інфільтраційні води; 4 – ложе басейну; 5 – мули і глини,

утворені на етапі В; 6 – напрям руху вод

А – елізійний етап; Б – інфільтраційний етап; В – наступний елізійний етап

Сучасна інфільтрація – та, яка відбувається в теперішній час; вона могла початися вже порівняно давно, але як неперервний процес продовжується до теперішнього часу.

Древня інфільтрація відбувалась на попередніх гідрогеологічних етапах і завершилась, будучи перерваною наступанням елізійного етапу. В результаті древньої інфільтрації утворились древні інфільтраційні води, які могли зберегтись, а могли бути витіснені упродовж наступних етапів.

Поиск по сайту: