Этапы формирования
В формировании подземных вод зоны гипергенеза можно выделить четыре этапа: атмогенный, биогенный, литогенный и испарительный. Первые три выражаются в привносе минеральных, органических и газовых компонентов и в разной степени характерны для любых рассматриваемых подземных вод. Последний этап заметен только в условиях аридного климата и выражается в преимущественном удалении влаги.
Атмогенный этапвключает в себя время формирования состава атмосферных осадков. На этом этапе природные вода формируется в условиях атмосферы и становятся преимущественно ультрапресными слегка кислыми с очень высоким окислительно-восстановительным потенциалом. Их состав зависит преимущественно от климатических условий и меняется в соответствии с региональной климатической зональностью. Этот этап определяет тот начальный состав, с которого начинается формирование вод зоны гипергенеза. Этот начальный состав называют атмогенной составляющейсостава подземных вод. Самым важным компонентом ее является молекулярный кислород, задающий самый высокий окислительно-восстановительный потенциал. Присутствие CO2 способствует снижению pH ниже 7.
Биогенный этапвключает время прохождения атмосферных осадков сквозь биосферу, наиболее важными компонентами которой являются растительность и ее корневая система, богатый органическим веществом почвенный слой и биоценоз зоны аэрации. На этом этапе состав вод формируется при активном участии живых организмов на поверхности, процессов разложения органического вещества и формирования почв. Атмосферные осадки, попадая в биосферу, принимают участие в биогеохимическом круговороте вещества. Это участие продолжается и когда они превращаются в подземные воды верхней части зоны гипергенеза.
На этом этапе природные воды обогащаются органическим веществом и продуктами его минерализации, но теряют влагу, калий и многие другие компоненты поглощаемые корневой системой растительности. Селективное поглощение ионов растительностью, и концентрация их в живой биомассе может сильно влиять на их концентрации в воде. Вследствие этого в зоне аэрации часто наблюдается заметное снижение концентраций макрокомпонентов с увеличением глубин. В водах зоны аэрации степей концентрация хлора заметно ниже и стабильней, чем в лесах. Эту разницу можно объяснить более интенсивной транспирацией в лесах. Растения показывают сезонные вариации в поглощении и выделении, и молодые растения поглощают больше элементов, чем зрелые или старые. Селективное поглощение некоторых элементов в почвенном слое не всегда восполняется потоком подземной воды. Содержание таких элементов определяется биогеохимическим круговоротом. Например, поглощение K растительностью достигает 64 кг∙га-1∙год-1, тогда как водные потоки могут обеспечить только 1,9 кг∙га-1∙год-1. Аналогично ведет себя P. Вследствие этого растительность становится мощным накопителями некоторых биогенных элементов.
С другой стороны, атмосферные осадки, попав в биосферу растворяют и поглощают органические и минеральные компоненты, которые образуют живые организмы. Именно на этом этапе воды получают наибольшее количество органических соединений, которые в присутствии O2 и при участии редуцентов быстро деградируют, т.е. минерализуются, сперва до сложных органических кислот, затем до CO2 и HCO3-. Степень и полнота этой минерализации зависит от биологической продуктивности на поверхности и скорости деградации органического вещества, что подчинено климатической зональности.
Разложение органического вещества является обратным процессом поглощению и сохранения элементов живыми растениями. Разложение органического вещества есть реакция окисления, которая может происходить в почве, но также внутри водоносного горизонта, где захороненное органическое вещество может присутствовать как торф, лигнит и т.д. Этот процесс приводит к минерализации органического до гуминовых и фульво-кислот, а затем и до HCO3-. Вместе с тем выделяются биогенные компоненты P, K, N, S. Разложение органического вещества в водоносном горизонте может вызвать важные реакции, такие как восстановление окислов железа, сульфатов и нитратов, или образование метана.
Изменения состава подземных вод на биогенном этапе связаны преимущественно с поглащением органический соединений и их минерализацией. Эти изменения относят к биогенной составляющей, которая в условиях неполной минерализации органических веществ представлена преимущественно органическими кислотами, прежде всего гуминовыми и фульво, а при полной минерализации – двуокисью углерода и бикарбонатом.Самым важным продуктом этой составляющей является CO2, которая вносится в почвенную атмосферу в результате респирации растений и жизнедеятельности бактерий. Поэтому воды, просачивающиеся через почву, содержат обычно в 10 — 100 раз больше растворенной двуокиси углерода, чем дождевые воды. Эта CO2 является источником кислотности для большинства реакций выветривания. Ее присутствие способствует снижению pH ниже 7. Подземные воды на биогенном этапе становятся наиболее кислыми.
Биогенный этап формирования состава подземных вод непосредственно связан с формированием почв. Почвообразование представляет собой чрезвычайно сложный процесс, включающий участие растений, животных, микроорганизмов и неорганических процессов. В зависимости от климата почвы можно подразделить на две главные категории: педальфернымии педокальные.
В условиях гумидного климата, где вод атмосферных вод достаточно, Ca легко высвобождающийся из первичных минералов, переходит в раствор. Вследствие этого почвы почти не содержат CaCO3, обычно обогащены Al и Fe, и часто называются красноземами или педальферными почвами (пед-почва + А1 и Fе).
В умеренновлажных климатических зонах органика минерализуется до органических кислот, что способствует вымыванию Fe и Al из верхних почвенных слоев и накаплению их в виде тонкозернистых слабоокристаллизованных гидроокислов или глинистых минералов. Осаждение этих элементов, по-видимому, обусловлено деструкцией органических комплексующих агентов бактериями. Таковы почвы большей части России, восточной части Северной Америки и Западной Европы севернее Альп.
В тропических влажных климатических зонах органическое вещество минерализуется преимущественно до CO2 и HCO2-. Это способствует выщелачиванию и растворению кварц, и накоплению Fe и Al. В итоге образуется почвы, состоящие в основном из гидроокислов Fe и Al. Если такая почва содержит относительно мало железа, она называется бокситной, в других случаях - латеритной.
В аридных климатических зонах CaCO3 накапливается, а образующиеся при этом почвы называются педокальными. При этом CaCO3 иногда образует стяжения, называемые калькретамиили каличе. В педокальных почвах процессы почвообразования характеризуются менее интенсивным выщелачиванием, в связи с чем наблюдается более слабое развитие почвенного профиля. Такие почвы обычно классифицируются по цвету, который определяется в основном количеством органического вещества в почве, а в очень аридных условиях — присутствием растворимых золей. Тип почвы, образующийся в данном климате, сильно зависит от природы коренных пород, рельефа, растительности и времени, в течение которого протекал процесс почвообразования. В общем, чем засушливее климат, тем ближе калькреты к поверхности земли. Почвы степей в России, Великих Равнин и юго-западной части США преимущественно педокальные.
Атмогенный и биогенный этапы формируют состав подземных вод, как правило, до их проникновения в зону полного насыщения. Поэтому их можно рассматривать как подготовительные этапы.
Литогенный этапвключает в себя все время фильтрации вод от областей питания до областей разгрузки, которое часто определяют как возраст подземных вод. На этом этапе формирование состава подземной воды определяется их массообменом с вмещающими породами и с артезианскими водами.
Выветривание и растворениекарбонатных, силикатных или эвапоритовых минералов освобождает элементв в воду. Некоторые минералы, подобные карбонатам и эвапоритам, растворяются быстро и существенно меняют состав воды уже в почве, тогда как другие, подобные силикатам, растворяются медленно и имеют мало заметный влияние на состав воды. Таблица приводит источники макрокомпонентов и диапазон их концентраций, который можно ожидать в пресных водах.
Состав почвенных вод и подземных вод будет зависеть от типа породы, через которую вода фильтруется. Например, в ультраосновных породах богатых оливином и пироксеном Mg2+ будет преобладающим катионом и в почве, и в подземной воде. В карбонатных породах главным катионом в почве и пресной подземной воде будет Ca2+ . Если Ca2+ и Mg2+ присутствуют в почве и подземной воде в почти равных концентрациях, они вероятно получены из доломита (CaMg(CO3)2).
Связь между типами пород и составом подземных вод обычно показывают на так называемых диаграммах Пайпера. Эта диаграмма показывает, что известняки и мергели образуют тип вод Ca, Mg-HCO3, тогда как подземная вода в метаморфических породах (аспидный сланец, песчаники и т.д.) или изверженных породах (граниты или магматические) содержат заметные количества Na+, K+ и Cl-.
Таблица 82. Обычные интервалы концентраций в незагрязненных пресных водах и источники элементов.
| Элемент | Концентрации (ммоль/л) | Источник |
| Na+ | 0,1-2 | Полевой шпат, соли, цеолит, атмосфера |
| K+ | 0,01-0,2 | Полевой шпат, слюда |
| Mg2+ | 0,05-2 | Доломит, серпентин, пироксен, амфибол, оливин, слюда |
| Ca2+ | 0,05-5 | Карбонат, гипс, полевой шпат, пироксен, амфибол |
| Cl- | 0,05-2 | соль, атмосфера |
| HCO3- | 0-5 | Карбонаты, органическое вещество |
| SO42- | 0,01-5 | Атмосфера, гипс, сульфиды |
| N03- | 0,001-0,2 | Атмосфера, органическое вещество |
| SiO2 | 0,02-1 | Силикаты |
| Fe2+ | 0-0,5 | Силикаты, сидеритe, гидроокись, сульфиды |
| P04-сумма | 0-0,02 | Органическое вещество, фосфаты |
Во первых, содержание элементов, поступающих из известняка, вулканических, песка и гравия, почти не зависит от количества поверхностного стока.
Эти связано с низкими скоростями растворения этих минералов. Гравий состоит преимущественно из нерастворимых кварцевых галек, которые высоко стойки к растворению. Уровни концентрации поэтому остаются низкими, а состав подземных вод контролируется преимущественно химией дождевых вод и эвапотранспирацией. С другой стороны, вулканические и известняки содержат более растворимые минералы так, что концентрации в поверхностном стоке становятся выше. Относительно стабильные концентрации в поверхностном стоке из этих типах пород показывает, что растворимость этих минералов быстрее по сравнению с продолжительностью существования вод. Кальцит растворятся так быстро, что вода достигает концентраций Ca2+ соответствующих растворимости кальцита в большинстве полевых условий за несколько дней.
Поверхностный сток с гранитов и песчаников показывает уровни концентраций , которые заметно зависят от ежегодного стока. Это подсказывает, что скорость растворения минералов гранита находится в порядке времени существования воды в бассейне стока. Главным минералом в гранитах и песчаниках является полевые шпаты, слюды и кварц, которые имеют очень медленную кинетику растворения. Другими словами, в некоторых случаях, как и для известняков, свойственно достижение равновесия, тогда как в других случаях, как для большинства силикатных пород, кинетики растворения должны учитываться.
При аридном климате испарение может вести к осаждению ряда минералов в почве. Они включают кальцит, гипс и хлоридные соли. Выветривание силикатных минералов обычно ведет к формированию вторичных глинистых минералов. Тип глинистых минералов, который образуется во время выветривания, зависит от состава материнских пород и стадии выветривания. Глинистые минералы обычно состоят из Al-Si с или без других катионов. Когда процесс выветривания продолжается, глинистые минералы теряют первый из катионов, и затем кремний, пока не останется только плохо растворимый гидроокись Al. Если в материнских породах присутствует Fe(II), можно ожидать также образование окислов Fe.
В формировании подземных вод на литогенном этапе большую роль могут играть артезианские воды, т.е. минерализованные часто высокотемпературные воды зоны эпигенеза, разгружающиеся в зону гипергенеза. Эти воды смешиваются с менее минерализованными, часто пресными, водами гипергенеза и способствуют формированию подземных вод аномальных свойств и состава. Смешивание с глубинными водами, как правило, ведет к повышению температуры, минерализации и содержания микрокомпонентов. Иногда это приводит к формированию минеральных вод. Так в зоне гипергенеза формируются воды углекислые (нарзаны), сероводородные, мышьяксодержащие, йодные, азотные термы и т.д..
Испарительный этапзаключается в удалении влаги из состава грунтовых вод в условиях крайне затрудненного водообмена. Этот период формирования грунтовых вод имеет значение только в условиях аридного климата. Он не влияет заметно на относительный вклад рассмотренных выше составляющих, но способствует накоплению их компонентов и повышению минерализации грунтовых вод.
Каждый этап вносит свой вклад в формирование состава подземных вод. В первые три этапа формирование вод связано с привносом в их состав растворенных компонентов, преимущественно минеральных. Лищь на последнем этапе формирование связано не с привносом, а с потерей влаги и других летучих соединений. Поэтому можно говорить о составляющих состава, связанных с рассмотренными этапами.
Можно выделить четыре главных генетических составляющих состава подземных вод условий гипергенеза, которые по своей генетической природе и формированию независимы друг от друга. К таким составляющим следует относить компоненты атмосферного, биогенного, литогенного и артезианского происхождения.
Атмосферная составляющая химического состава определяется преимущественно количеством атмосферных осадков и интенсивностью их испарения. Ее максимальные абсолютные значения приходятся либо на районы наибольшего количества осадков, южная тайга и лесостепи (модуль до -1 г×с-1×км-2, субтропические и тропиченские леса, влажные саванны (модуль до –5 г×с-1×км-2). Минимальные значения тех же величин попадают на районы с относительно небольшим количеством осадков и слабой испаряемостью (тундра, северная тайга и степи), а также удаленные от морей и океанов и с хорошо промытыми породами (высокогорье).
Относительная роль атмосферной составляющей химического стока достаточно велика и составляет в подземных водах провинций умеренной влажности и в горных массивах 20-35%, а в провинции континентального засоления 60-80% в степях или даже 90-95% в пустынях. Наименьшую относительную роль играет атмосферная составляющая в интенсивно промываемых породах зоны гипергенеза на территории тропических и субтропических лесов, где ее доля в составе химического стока не превышает 15%, несмотря на то, что ее абсолютное количество почти такое же, как в аридных провинциях.
Биогенная составляющая зависит от биологической продуктивности и скорости минерализации органического вещества. При этом в зоне гипергенеза в состав грунтовых вод переходит и минерализуется всего только несколько процентов от всего образуемого на поверхности органического вещества. Даже во влажных саваннах в состав грунтовых вод переходит не более 10% генерируемого на поверхности органического вещества. Поэтому в грунтовых водах провинций содержание биогенных продуктов ограничивается не количеством органических веществ, а скоростью и характером его разложения.
Абсолютное содержание биогенных продуктов в составе грунтовых вод зависит от интенсивности и направленности преобразования органического вещества почв, что, в свою очередь, определяется общей биологической продуктивностью ландшафта, среднегодовой температурой воздуха и интенсивностью водообмена. По мере повышения температуры от северных широт к южным и уменьшения интенсивности водообмена в границах провинции умеренной влажности абсолютное содержание выносимых биогенных продуктов вначале возрастает до значений около 0,9 г×с-1×км-2 в южной тайге, а затем падает вследствие резкого сокращения интенсивности водообмена с приближением к провинции континентального засолонения. Аналогичная картина наблюдается в горных районах.
В тропических экваториальных провинциях постоянно высокая температура обеспечивает высокую степень микробиологической переработки органического вещества еще на поверхности и в почвенном слое. Поэтому вынос биогенных продуктов грунтовыми водами контролируется преимущественно интенсивностью водообмена. Вследствие этого максимальные количества биогенных продуктов приходятся на тропические леса и влажные саванны, минимальные - на тропические степи.
Биогенная составляющая заметно доминирует в общей сумме солей химического подземного стока всех провинций выщелачивания, особенно в условиях тропических лесов и влажных саванн в виде карбонатных ионов(до 89%), тундры и смешанных лесов в виде органических кислот (до 30%). Абсолютные значения концентрации биогенной составляющей химического подземного стока превосходят величины литогенной составляющей в северных провинциях в 2-3 раза, а в тропиках в 10-15 раз. Поэтому именно биогенная составляющая и ее формирование, как правило, контролирует величину общего химического сноса. Воды этих провинций поэтому несут в своем составе наиболее высокие концентрации недиссоциированной угольной кислоты и других органических кислот. Это преобладание биогенной составляющей способствует формированию наиболее кислых грунтовых вод. Поэтому наблюдается непосредственная зависимость между долей биогенной составляющей в общей сумме солей и величиной pH.
Литогенная составляющая формируется за счет массообмена между грунтовыми водами и породой на пути ее фильтрации. Ее абсолютная величина заметно уступает атмогенной и биогенной составляющим и меняется в диапазоне от 0,046 г/с км2 в тундре до 0,48 г/с км2 в тропических лесах и находится в сложной зависимости от модуля подземного стока, минерализации и pH грунтовых вод. Во всех провинциях выщелачивания наблюдается тесная прямая зависимость между величинами модуля подземного стока и литогенной составляющей химического стока. По мере уменьшения интенсивности водообмена химический подземный сток сначала растет, достигает максимальных значений и затем падает в сторону провинции континентального засолонения. Максимальные значения литогенной составляющей связаны с ландшафтами со средними значениями интенсивности водообмена (южная тайга, тропические и субтропические леса). При этом в условиях тропического и экваториального климата при прочих равных условиях химический сток выше, чем в условиях провинции умеренной влажности. Это является следствием более высокой интенсивности водообмена и большей кислотности грунтовых вод. Провинции с аридным климатом, как правило, характеризуются незначительным химическим стоком.
Артезианская составляющая представляет собой примесь артезианских подземных вод, которые разгружаются в зону гипергенеза. Разгрузка этих вод, как правило, имеет локальный характер и связана с разломами, литологическими выклиниваниями и другими нарушениями изолирующего артезианские воды водоупора. Поэтому и вклад этих вод огионально ограничен, и проявляется в формировании гидрохимичесских аномалий. Именно эта составляющая ответственна за формирование неглубоких минеральных вод. Величина артезианской составляющей заметно увеличивается в районах с аридным климатом, вследствие снижения уровня грунтовых вод.
Дата добавления: 2015-05-16; просмотров: 1975;