Состав подземных вод

Подземная вода представляет собой сложный природный раствор, в котором содержатся все известные химические элементы в виде ионов, комплексных соединений, растворенных, либо газообразных молекул. По этой причине В.И. Вернадский писал, что в каждой капле воды , как в микрокосмосе, отражается состав космоса.

С этой точки зрения состав подземной воде отражается не только большим количеством химических элементов, но и изменчивостью их количественного состава и разнообразием растворенных форм каждого элемента. В воде содержатся многие живые и мертвые микроорганизмы (бактерии), механические и коллоидные вещества, сложные органоминеральные и другие комплексы.

Химические элементы в подземных водах. Из-за большого разнообразия химических элементов, содержащихся в подземных водах, до настоящего времени известны только пределы содержания отдельных элементов и их суммы, которые, обычно и используют при характеристике состава подземной гидросферы.

Как и в горных породах, в подземных водах имеются случаи аномальной концентрации отдельных, или ряда химических элементов, образующих месторождения, их формирование обусловлено специфическими обстановками.

Специфика того, или иного объекта земной коры может быть выявлена путем изучения кларковых содержаний химических элементов, которые, к сожалению для подземных вод до сих пор не установлены.

С.Л. Шварцев на основании более 25 тыс. химических анализов рассчитал среднее содержание 50 химических элементов в подземных водах основных ландшафтных зон земного шара, отдельных гидрогеологических провинций и зоны гипергенеза в целом.

Оказалось, что наиболее пресными являются воды зоны вечной мерзлоты. Они характеризуются гидрокарбонатным магниево-кальциевым составом с общей минерализацией 0.16 г/дм³. Весьма пресные гидрокарбонатные натриево-магниево-кальциевые воды с минерализацией 0.18 г/дм³ формируются в условиях тропических и субтропических областей.

Следующими по увеличению минерализации являются области горных массивов, где формируются пресные гидрокарбонатные магниево-кальциевые воды с минерализацией 0.2 г/дм³.

Наиболее минерализованы среди вод выщелачивания являются подземные воды областей умеренного климата на платформах, щитах, древних складчатых сооружениях. Небольшой водообмен приводит здесь к формированию близких к нейтральным гидрокарбонатных натриево-кальциевых вод с общей мнерализацией порядка 0.33 г/дм³.

Грунтовые воды континентального засолонения – солоноватые, слабощелочные, гилрокарбонатно-хлоридно-сульфатные и магниево-кальциево-натриевые (с минерализацией порядка 1.27 г/дм³).

В подземной гидросфере концентрируются элементы не склонные к образованию устойчивой кристаллической решетки при пластовых температурах, имеющий большой ионный радиус (хлор, бром, калий и т.п.), либо – малый (сера, углерод, азот и др.), но способных к образованию сложных кислородных соединений с большим радиусом (SO₄^2-, CO₃^2-, NO₃^- и др.). Это одно из важнейших отличий между химическим составом гидросферы и литосферы.

Среди элементов, образующих в гидросфере наибольшие концентрации преобладают литофильные (натрий, магний, хлор, калий, стронций, барий), либо халькофильные с 8- и 18- электронным строением (сера, бром, йод, ртуть, германий). Инертные газы, например, характеризуются наиболее низкими концентрациями.

Газовый состав. Основными газами подземных вод являются: O₂, N₂, CO₂, H₂S, CH₄, H₂, NH₃, He, Rn, Ne, Ar, Xe, Kr. Их содержание зависит от коэффициента растворимости каждого из газов, температуры, давления, минерализации. Наименьшая растворимость – у гелия, а наибольшая – у H₂S. С ростом температуры – растворимость газов сначала снижается, но при дальнейшем ее повышении – увеличивается.

В большинстве случаев по весу преобладают один-два, реже – три газа. В геохимическом отношении наиболее важны O₂, CO₂ и H₂S.

Кислород содержится в подземных водах обычно 15 – 20 мг/дм³. С глубиной его концентрация обычно снижается, поскольку он расходуется на окисление минеральных, органических и газовых компонент воды и на образование сложных кислородсодержащих ионов.

Углекислота входит с водой и ее химическими компонентами в ряд химических соединений. В том числе она участвует в карбонатном равновесии: H₂О - CO₃^2-НСО₃^-. Содержание CO₂ в глубоких подземных водах достигает 20 г/дм³ и более.

Сероводород входит в равновесие H₂S - SO₄^2- - HS^-. Он – активный восстановитель. Содержание H₂S в водах достигает 2 г/дм³, иногда более.

Азот распространен практически во всех типах подземных вод. Содержится в количестве десятков – сотен мг/л, достигая 1200 мг/л.

Углеводородные газы. Наиболее изучены предельные углеводороды – метан, этан, бутан, пропан. Их максимальное содержание достигает 13 000 мг/дм3 в водах нефтегазовых месторождений. Количественно преобладает метан.

Водород распространен в подземных водах. Его содержание составляет от единиц до десятков (реже – сотен) мг/дм3.

Гелий привлекает внимание как показатель активности глубинных разломов, предвестник землетрясений и других глубинных процессов.

Изотопы водорода и кислорода. Изотопный состав оценивается стабильными изотопами водорода (протий и дейтерий) и кислорода (О¹⁶, О¹⁷, О¹⁸), их распространенность различна. Встречаются короткоживущие радиоизотопы. Для водорода это тритий (Н³) с периодом полураспада 12 – 26 лет) и весьма неустойчивый Н⁴. Встречаются 4 короткоживущих изотопа кислорода с периодами полураспада О¹⁴ - 74; О¹⁹ – 29; О²⁰ – менее 10 мин. При гидрогеологических исследованиях используются в основном изотопный состав водорода и кислорода.

Концентрация H² и О¹⁸ контролируется равновесием жидкости и водяного пара. Постоянство изотопного состава поддерживается круговоротом воды в природе. Наиболее однородный и устойчивый изотопный состав присущ океанической воде. Она является аккумулятором дейтерия и тяжелого водорода.

В качестве эталона для оценки концентрации H² и О¹⁸ используется стандарт океанической воды (SMOW), он отвечает абсолютному содержанию 0.0158 ат. % дейтерия и 0.1985 ат. ; тяжелого кислорода. Концентрация дейтерия и тяжелого кислорода измеряется как отклонение от стандарта, приравниваемого к нулю и выражается в ‰ (промилле)

Органические вещества. Их изучение связано, в основном, с поисками нефти. Среди веществ, для которых утверждены предельно допустимые концентрации (ПДК) – более 90% это органические соединения, в том числе загрязнителями являются нефтяные углеводороды и пестициды.

Источник поступления этих загрязнителей в подземные воды – атмосферные осадки и смыв поверхностными водами с суши. Они встречаются в почве, илах, иловых водах, поровых растворах, вблизи залежей нефти и газа.

Количественно органическое вещество в подземных водах выражается содержанием углерода (С _орг) или кислорода различных видов окисляемости. Качественный состав органического вещества весьма сложный. Органические вещества весьма подвижны, активны и изменчивы.

Микрофлора и ее геохимическая роль. В.И. Вернадский называл ее «живым веществом». Она представляет собой мельчайшие растительные организмы – простейшие, водоросли, бактерии, дрожжи, плесени. Известно около 150 тыс. их различных видов. Бактериальные организмы имеют размер от десятых долей до нескольких микрон. Бактерии состоят на 75 – 85 % из воды, остальная часть – белки, углеводы, липиды (жиры) и нуклеиновые кислоты (РНК и ДНК). Их клетки содержат много органических соединений, легко доступных в общем обмене веществ – сахара, кислоты, аминокислоты, нуклеотиды, фосфорные эфиры, витамины и т.п.

Энергию бактерии получают в ходе окислительно-восстановительных реакций. По отношению к кислороду различают аэробные и анаэробные бактерии. Первые развиваются только при наличии свободного кислорода, а отдельные группы – связанного кислорода (например – NO₃). Анаэробы живут при отсутствии, либо ограниченном доступе свободного кислорода. Они используют сульфаты, нитраты, углекислоту, органические вещества.

По характеру обмена бактерии подразделяют на авто- и гетеротрофные. Автотрофы используют для своего развития минеральные вещества. Углерод они получают из СО₂, а водород – из воды, Н₂S, NH₃ или используют газообразный водород. Гетеротрофы нуждаются в готовых органических соединениях. Энергию на восстановление СО₂ они получают от окисления органических веществ. К гетеротрофам относят большинство бактерий, обнаруженных в подземных водах.

До глубины 3 – 4 км количество бактерий колеблется от 10 тыс. до 500 тыс. клеток на 1 мл. воды. В наиболее благоприятных условиях это число достигает нескольких миллионов клеток в 1 мл. Число живых клеток достигает 95 – 99 %. Основным фактором, влияющим на их развитие является температура. Верхним пределом, при которым может существовать жизнь бактерий считают 90 – 98 °C. Пониженные температуры ( 3 – 5 °С) затормаживают развитие бактерий. Их полное вымирание видимо происходит при температуре около минус 10 °С.

Бактерии, развивающиеся при температуре 20 – 40 °С называют мезофильными. Для термофильных бактерий оптимальные условия жизни – это температуры от 40 до 75 °С.

Окисление восстановительных соединений серы осуществляется тионовыми бактириями. Они представляют автоморфные микроорганизмы, использующие свободную углекислоту (СО₂) на построение своего тела и получают энергию от окисления серы и ее восстановленных продуктов.