Факторы формирования химического состава подземных вод.

Факторы, определяющие химический состав подземных вод:

Физико–географические факторы включают рельеф, гидрологию, климат и выветривание.

Рельеф оказывает влияние на водообмен, от которого зависят минерализация и состав подземных вод. При прочих равных условиях, чем сильнее расчленён рельеф, тем благоприятнее возможности для появления пресных подземных вод. На приподнятых участках бассейнов, где породы хорошо промываются, подземные воды имеют относительно низкую минерализацию и в основном гидрокарбонатный состав: в пониженных частях, куда направлен сток солей с возвышенностей, минерализация повышается, в водах увеличивается концентрация сульфатов и хлоридов.

Гидрологический фактор (гидрология) воздействует на подземные воды прежде всего через гидрографическую сеть, которая влияет на водообмен. Густая гидрографическая сеть с глубоким эрозионным врезом способствует водообмену в водоносных горизонтах, выносу солей и формированию пресных подземных вод. При редкой гидрографической сети и неглубоком её врезе подземный сток затруднён, что вызывает повышение минерализации подземных вод. Это — косвенное влияние гидрографической сети на состав подземных вод. В тех же случаях, когда питание водоносных горизонтов осуществляется за счёт вод рек и озёр, влияние гидрологического фактора прямое и определяющее.

Климат может считаться одним из главнейших прямых факторов формирования состава подземных вод. Среди множества климатических элементов к первостепенным относятся атмосферные осадки, температура и испарения. Атмосферные осадки формируют ресурсы подземных вод, передают им соли (хотя и весьма небольшое количество, но в “готовом виде”). В недра земли проникают, главным образом, осадки, выпадающие в умеренных широтах весной, летом или осенью. В условиях сухого климата атмосферные осадки могут быстро испаряться и не достигать поверхности грунтовых вод. Испарение, которое зависит от температуры воздуха, наиболее действенно в зоне недостаточного увлажнения.

Выветривание — явление, протекающее на/и вблизи поверхности и напрямую связанное с климатом. Совокупность процессов физического, химического и биохимического разрушения минералов и горных пород, называемая выветриванием, приводит к обогащению подземных вод различными соединениями. Выветривание выступает, главным образом, как процесс перевода вещества в раствор. В результате выветривания из пород выносятся и попадают в подземную воду в первую очередь наиболее растворимые соединения.

Геологические факторы. К этим факторам относятся геологическая структура, тектонические движения, вещественный состав пород, магматизм и газовый фактор.

Геологическая структура определяет динамичность, а вместе с ней минерализацию и состав подземных вод. Подземные воды закрытых структурных элементов бывают наиболее минерализованными, а по составу преимущественно хлоридными натриевыми или кальциевыми. В раскрытых структурных элементах подземные воды наименее минерализованы и имеют обычно гидрокарбонатный кальциевый состав.

Тектонические движения принято делить на колебательные, складчатые (или пликативные) и разрывные (или дизъюнктивные). Колебательные движения положительного знака могут вызывать опреснение подземных вод на приподнятых участках суши, так как эти участки могут выводиться в сферу действия атмогенных вод. Складчатые и разрывные тектонические движения резко нарушают установившиеся гидрогеохимические условия. Горные страны, претерпевшие активные складчатые и разрывные движения, оказываются глубоко промытыми пресными водами. Разрывные нарушения, т.е. тектонические разломы служат путями разгрузки подземных вод.

Вещественный состав пород. Влияние состава пород на состав подземных вод особенно ярко заметно, когда пресная вода взаимодействует с легкорастворимыми минералами и породами: галитом, гипсом, доломитом, известняком. Галит даёт хлоридные натриевые воды, гипс — сульфатные кальциевые, доломит — гидрокарбонатные магниево–кальциевые, известняк — гидрокарбонатные кальциевые. Однако, такие же гидрокарбонатные воды, как в известняках, могут залегать и очень часто залегают в кварцево–полевошпатовых песках

Магматизм. Роль этого фактора в формировании состава подземных вод до сих пор является проблематичной. Сложность вопроса заключается и в том, что элементы, характерные для магматических эксгаляций, могут попасть в подземные воды и другими путями.

Газовый фактор оказывает большое влияние на ионно–солевой состав подземных вод. Достаточно сказать, что увеличение содержания газов, растворённых в воде, влияет на растворяющую способность воды.

Физико–химические факторы. К этим факторам относятся химические свойства элементов, растворимость химических соединений, кислотно–щелочные и окислительно–восстановительные условия.

Химические свойства элементов. Они определяют способность образовывать природные соединения. К числу важнейших физико–химических свойств относятся ионный радиус и валентность иона.

Растворимость химических соединений относится к прямым факторам формирования состава подземных вод. Для пресных вод характерно преобладание гидрокарбоната, поскольку именно этот анион образует с кальцием слаборастворимую соль. По мере повышения минерализации появляется сульфатный ион, характерный для солёных вод. Однако из–за сравнительно невысокой растворимости сульфат кальция быстро уступает первенство сульфату натрия или магния, а чаще хлоридам, которые со всеми основными катионами образуют легкорастворимые соли. Самые высококонцентрированные рассолы по составу преобладающих солей относятся к хлоридным магниевым или кальциевым, так как СаСl2 и МgСl2 чрезвычайно легко растворимы.

Кислотно–щелочные и окислительно–восстановительные условия, которые мы уже рассматривали ранее, регулируют миграцию химических элементов в подземных водах, так как от рН и Eh зависит растворимость минералов и формы нахождения элементов в растворе (в виде ионов, тех или иных комплексных соединений).

Физические факторы. В круг физических факторов формирования состава подземных вод входят температура, давление и время.

Температура — ведущий фактор, от которого зависит равновесие в системе вода – порода – газ. Температура сильно влияет на растворяющую способность подземных вод и скорость химических реакций. Растворимость большинства солей по мере роста температуры увеличивается, реже (например, CaCO3) снижается.

Давление — фактор формирования состава вод первостепенной важности. Этот фактор имеет ряд проявлений. Гидростатическое давление определяет темп водообмена, скорость движения воды, а значит и состав. Геостатическое давление обусловливает сложный комплекс процессов, связанных с отжимом растворов из пор глинистых пород в коллекторы, и, таким образом, также через динамику растворов влияет на состав. Наконец, давление влияет на растворимость пород и минералов. Этот вопрос изучен недостаточно, однако для ряда минералов (гипс, ангидрит, минералы кремнезёма) давление увеличивает растворимость.

Время — это скорость химических реакций, это продолжительность взаимодействия в системе вода – порода – газ, это возраст отложений, вмещающих подземные воды, это возраст самих подземных вод, наконец, это геологическая история.

Биологические факторы. С точки зрения влияния этих факторов на состав подземных вод важна вся совокупность живых организмов, которую В.И. Вернадский назвал живым веществом. Животные и растения воздействуют на состав подземных вод, главным образом, через микроорганизмы. По мере отмирания животные и особенно растения отдают почве минеральные вещества, которые затем поступают в подземные воды. Влияние деятельности растений на состав подземных вод проявляется и в том, что растения аккумулируют огромное количество влаги, избирательно поглощают химические компоненты из подземных вод.

Искусственные факторы. Существо искусственных факторов формирования состава подземных вод заключается в производственной деятельности человека. Приведём далеко не полный перечень искусственных факторов. Это нарушение естественного режима подземных вод, вызванное разработкой полезных ископаемых, гидротехническим строительством, мелиорацией, эксплуатацией водоносных горизонтов для целей водоснабжения, а также сброс в недра загрязнённых стоков, попадание в водоносные горизонты продуктов атомных взрывов и распыляемых ядохимикатов.