Состав и свойства подземных вод

Подземные воды представляют собой сложные естественные растворы, находящиеся в многообразных связях и взаимодействии с окружающей сре­дой.

К физическим свойствам подземных вод относятся - температура, про­зрачность, цвет, запах, вкус, плотность, сжимаемость, вязкость, электропро­водность и радиоактивность.

Температура подземных вод изменяется в широких пределах. В высоко­горных районах и в области вечной мерзлоты она низкая. Здесь иногда высо­коминерализованные воды имеют отрицательную температуру (-50⁰C и ниже). В районах молодой вулканической деятельности, в местах выхода гейзеров (Камчатка) она иногда превышает 100°С. Нередко горячие, т.н. термальные воды (температура более 37°С) используются в практических целях (бальнеология, теплофикация, энергетика). Прозрачность зависит от содер­жания мехпримесей, коллоидов и органических веществ. Цвет также зависит от имеющихся в воде механических и органических примесей. Вкус воде придают минеральные вещества, газы и др. примеси. Запаха вода как правило не имеет. Лишь при наличии сероводорода вода имеет запах тухлых яиц. Плот­ность воды характеризует минерализацию (см. ниже). Сжимаемость показы­вает изменение объема воды под действием давления. Коэффициент сжимае­мости для подземных вод изменяется в пределах: b = (2,7-5,0)10^-5 Па (В.Н.Щелкачев). Вязкость характеризует внутреннее сопротивление частиц жидкости ее движению. Различают динамическую и кинематическую вязко­сти. Например, динамическая вязкость дистиллировонной воды при атмо­сферном давлении и комнатной температуре равна 0,001 Пас. Коэффициент кинематической вязкости v связан с динамической зависимостью:

(5.1)

где m - динамическая вязкость, Па с;

r - плотность жидкости, кг/м3. Единица кинематической вязкости, равная 10-4 м²/с называется стоксом.

Электропроводность подземных вод обусловлена тем, что они являются растворами электролитов, а радиоактивность вызвана наличием в них урана, радия, радона (газообразная эманация радия).

Изменение состава подземных вод происходит в результате смешения вод различного состава, испарения и др. К числу основных природных усло­вий, обуславливающих формирование состава вод следует отнести: климат, характер почвенного слоя, состав горных пород, деятельность живых орга­низмов. Кроме того имеет значение условия питания подземных вод и интен­сивности водообмена.

Природную геохимическую обстановку, влияющую на формирование химического состава определяют геологические условия. Г.Н.Каменским вы­делены следующие генетические циклы подземных вод - инфильтрационный (континентальный), морской (осадочный), метаморфический и магматиче­ский. К числу основных процессов влияющих на формирование химического состава подземных вод относятся конвективный перенос, диффузия, гидро­лиз, растворение и выщелачивание, кристаллизация (выпадение осадка), сорбция, ионный обмен, окислительно-восстановительные реакции и др.

В природных водах присутствует более 80 из известных 105 химических элементов. Макрокомпоненты составляют основу солености воды, которая оценивается общей минерализацией - суммой ведущих солей, растворенных в воде. По величине общей минерализации подземные воды делятся на пре­сные, солоноватые, соленые и рассолы. Другой важный параметр - жесткость, которая обусловлена суммой ионов кальция и магния (мг-экв/л воды). Разли­чают общую, обусловленную общим содержанием в воде ионов кальция и магния, устранимую, или временную, зависящую от той части названных ио­нов, которая выпадает в осадок при кипячении, и постоянную, обусловлен­ную той частью ионов кальция и магния, которая остается в растворе после кипячения. По степени общей жесткости пресные воды подразделяются на очень мягкие (до 1,5 мг-экв/л); мягкие (1,5-3,0), умеренно жесткие (3,0-6.0); же­сткие (6,0-9,0) и очень жесткие (> 9,0 мг-экв/л).

Важной характеристикой состояния подземных вод являются их кислот-но-щелочные условия, определяемые величиной водородного показателя рН, выражающей отрицательный логарифм активности иона водорода в воде. По величине рН воды делятся на сильно кислые (рН < 3,0); кислые (3,0-5,0); слабо кислые (5,0-6,5); нейтральные (6,5-7,5); слабо щелочные (7,5-8,5); щелочные (8,5-10,0) и сильно щелочные (> 10).

Микрокомпоненты включают элементы или соединения в количестве не менее 10, редко 100 мг/л. Содержание ультрамикрокомпонентов (Rb, Au, Hg) редко превышает 0,1 мг/л. К микрокомпонентам относятся элементы (Li, В, F, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Ba и др.). Микрокомпоненты не определяют хи­мический тип воды, но влияют на особенности их состава. Химическая типи­зация и классификация подземных вод производится по макрокомпонентам.

О.А.Алекин разделяет подземные воды в зависимости от преобладаю­щих ионов и соотношения между главными ионами на классы, группы и ти­пы. По преобладающему аниону выделены классы - гидрокарбонатные, суль­фатные и хлоридные. По преобладающему катиону установлено четыре типа вод (маломинерализованные, мало и среднеминерализованные, сильномине­рализованные и кислые).

Для выявления химического состава выполняют химические анализы подземных вод (полевые, сокращенные, полные и специальные). Выбор типа анализа определяется целевым назначением и требуемой точность определе­ния искомого компонента. Результаты анализов удобно изображать в виде предложенного Н.И.Толстихиным графика-квадрата, позволяющего выде­лить различные типы подземных вод. В практике для обозначения типов во­ды широко используется формула М.Г.Курлова, в которой анионы (числитель) и катионы (знаменатель) выражают в процентах в убывающем порядке (кроме тех, содержание которых меньше 10).

Оценка качества воды для питьевых целей производится по ГОСТ-2874-82, в котором указаны ПДК тех или иных компонентов в воде (сухой остаток - 1000 мг/л, сульфаты - 500 мг/л, железо - 0,3 мг/л и т.д.).

Кроме того ГОСТ 2874-82 на питьевую воду предусматривает ПДК по бактериологическим требованиям, так общее количество бактерий в 1 см3 во­ды не должно превышать 100, коли-титр - 300 (количество воды в см3 на одну кишечную палочку).

Оценка агрессивных свойств воды выполняется с целью предотвраще­ния разрушающего действия воды на бетон (углекислая агрессия, агрессив­ность выщелачивания, общекислотная и магнезиальная агрессия).

Значение химического состава подземных вод месторождений полезных ископаемых и рудничных (шахтных) вод важно для изучения влияния под­земных вод на формирование различных руд и др. полезных ископаемых, а также на предмет возможности практического использования этих вод при разработке месторождений.