Составитель: Н.В. Осинцева

Источники:Всеволжский В.А. Основы гидрогеологии. М.: Изд-во МГУ, 2007.- 448 с.Шварцев С.Л. Общая гидрогеология. М.: Недра, 1996. – 423 с.Леонова А.В. Основы гидрогеологии и инженерной геологии. Томск: Изд-во ТПУ, 2011.- 147 с.

Состав подземных вод

конспект лекций

Изотопный состав подземных вод

Изотопы водорода: 1Н (протий),2Н (D, дейтерий),3Н (Т, тритий)

Изотопы кислорода: 16О, 17О, 18О

Обычная вода (протиевая): 1Н216О

Тяжелая вода (дейтериевая): D216О

Сверхтяжелая вода (тритиевая): T216О

Вода с тяжелым кислородом: 1Н218О

Остальные изотопные модификации воды в природе практически не встречаются.

Свойства обычной и тяжелой воды

Физические свойства Обычная вода Н2О

Тяжелая вода (дейтериевая)

D2О

Температура кипения, °С 100 101,4

Температура замерзания, °С

0 3,8

Температура максимальной плотности °С

4 11,2

Плотность, г/см3 1 1,1Подавляющая масса воды на Земле – обычная (дейтериевая). Тяжелая вода составляет всего 0,02% всех природных вод, сверхтяжелая и вода с тяжелым кислородом – ничтожное количество. Остальные изотопные модификации в естественных условиях не встречаются.

Тяжелая водаO Открыта в 1932 г. Г. Юри, Ф. Брикведде и Дж. Мёрфи

O Впервые получена в чистом виде и изучена в 1933г. Г. Льюисом и P. Макдональдом.

O Тяжёлая вода - яд, так как замедляет биологические процессы, действует угнетающе на живые организмы.

O Тяжёлая вода - лучший замедлитель нейтронов (коэффициент замедления нейтронов 5700). Ее применяют в качестве замедлителя нейтронов и теплоносителя в ядерных реакторах на тепловых нейтронах (тяжеловодные реакторы). Перспективно использование тяжёлой воды как источника D2 для термоядерного синтеза.

Тяжелая водаO Месторождений тяжелой воды в природе не

выявлено

O Тяжёлую воду получают из воды или водорода с естественным изотопным составом

O Современное мировое производство тяжелой воды составляет несколько тысяч тонн в год

O Основные страны-производители - Канада, США, Индия, Норвегия.

Лит.: Киrшенбаум И., Тяжелая вода. Физические свойства и методы анализа, пер. с англ., M., 1953;Шатенштейн А.И., Изотопный анализ воды, 2 изд., М., 1957;Казавчинский Я. 3. и др., Тяжелая вода, тепло-физические свойства, M.-Л., 1963;Андреев Б.M., Зельвенский Я.Д., Катальников С. Г., Тяжелые изотопы водорода в ядерной технике, M., 1987.

Химический состав подземных вод

…это совокупность содержащихся в них растворенных минеральных и органических соединений за исключением тех, из которых состоит живое вещество.

Основные химические элементы подземных вод

O Н, О – в составе молекулы воды и других соединений

O C, Cl, N, Si – образуют анионы, газы, органические вещества

O Na, Ca, Mg, K, Fe – образуют катионы

O Р, F, Вг, В, I, Sr, Сu, As, Pb, Zn, Ag, Hg, Sb, Ni, Co, Rb, Cs, Se, Cr, U, Ra, Li и др.

Минерализация – суммарная масса растворенных твердых минеральных веществ в единице объема или массы воды.Измеряется в г/дм3, мг/дм3, к/кг, мг/кг.

Сходные характеристикиСумма ионов - минерализация, выраженная в молях на единицу объема водыСухой остаток - масса нелетучих растворенных веществ в единице объема или массы воды

Интегральная характеристика общего количества растворенного вещества в подземных водах –

Минерализация зависит от состава горных пород

Минерализация зависит от условий водообмена

Поступление растворенных веществ в подземные воды

O Растворение водовмещающих пород

O Погребение морских водO Поступление из атмосферыO Продукты жизнедеятельности

водных микроорганизмов

Классификация подземных вод по величине общей минерализации

(по М.С. Гуревичу, Н.И. Толстихину)

Класс вод Подкласс вод Минерализация, г/л

Пресные Ультрапресные <0,2

Умеренно пресные 0,2–0,5

Собственно пресные 0,5–1

Солоноватые

Слабосолоноваты 1–3

Умеренно солоноватые 3–10

Соленые Слабосоленые 10–30

Сильносоленые 30–50

Рассолы Слабые 50–100

Крепкие 100–320

Сверхкрепкие 320–500

Предельно насыщенные >500

Минерализация

питьевой воды не

должна превышать

1 г/дм3 (ГОСТ

2874-82)

Максимальная известная минерализация подземных вод составляет 640 г/дм3

(рассолы Ангаро-Ленского артезианского бассейна)

Скот может пить воду с

минерализацией до 5 г/дм3 (лошади),

8 г/дм3 (верблюды), 12 г/дм3 (овцы).

Ионный состав подземных вод Типы воды по

преобладающим анионам

O Хлоридные (Сl–)

O Сульфатные (SО42–)

O Гидрокарбонатные (НСО3

–)

Типы воды по преобладающим катионам

O Натриевые (Na+)O Магниевые (Mg2+)O Кальциевые (Са2+)O Калиевые (К+)O Смешанные

Макрокомпоненты

анионы (Сl–, SО42–, НСО3

–)

катионы (Na+,Mg2+, Са2+, К+), вещества в молекулярной форме (H4SiO3, Br, I и др.)

Гидрохимический тип

воды: преобладающий

анион(ы)+

преобладающий катион.

Например:

гидрокарбонатно-

кальциевая, сульфатно-

хлоридно-натриевая

Жесткость воды определяется наличием в ней ионовMg2+ и Ca2+

Классификация вод по жесткости,

ммоль/дм3

O очень мягкие (<1,5)

O мягкие (1,5–3)O умеренно жесткие

(3–6)O жесткие (6–9)O очень жесткие (>9)

Измеряется в миллиграм-эквивалентах/ миллимолях ионов Mg2+ и Ca2+ на единицу объема воды:мг-экв/л или ммоль/дм3.Жесткость питьевых вод не должна превышать7 мг-экв/дм3.

Мягкие воды – дождевые, надмерзлоные, в кристаллических породахЖесткие воды – в известняках, доломитах, других карбонатных породах

Агрессивность подземных вод – свойство разрушать строительные материалы (цемент, бетон, металлы)

зависит от содержания в воде свободной углекислоты (HCO3

–),

сульфат-иона (SО42–),

иона магния (Mg2+),а также от уровня pH (ниже 5,0–6,3)

Мезокомпоненты

ионы NH4+, Fe2+, Fe3+, NO2

–, NO3–, H3PO4

–

(иногда Br, I, F, Sr, Al)

Микрокомпоненты

ионы, присутствующие в воде в микроколичествах (до сотен мкг/дм3).Pb, Zn, Си, As, Sb, Sn, Ag, Mo, Co, Ba, радиоактивные (Ra, U, Rn, Th),а также Be, Se, Rb, Ni , Cs, Li , Mn , V и др.

Микро- и мезокомпоненты не определяют химический тип воды, но оказывают значительное влияние на его свойства.

Газовый состав подземных вод

Газонасыщенность - количество растворенного в 1 л воды газа при 0°С и нормальном давлении.

Происхождение газов:

атмосферное

биохимическое

метаморфическое

магматическое

радиоактивное

Наибольшей растворимостью обладают

СО2 – 1,7 л/лH2S – 4,6 л/л

Наименее растворимыHe (0,09 л/л), Ne, H

В верхней части разреза преобладают N2, O2

В нижней части разреза преобладают N2, H2S, CO2

Азональные газы: N2, радон

Органические вещества в

подземных водах

O Для большинства подземных вод характерны содержания Сорг в пределах единиц–первых десятков миллиграммов на дм3.

O Наибольшее содержание органических веществ наблюдается в подземных водах нефтяных и газоконденсатных месторождений (Сорг достигает 3000 мг/дм3)

В подземных водах могут содержаться: смолы, масла, эфиры, амины, гумусовые вещества, фенолы,

карбоновые кислоты,

углеводы, белки, липиды

Количество органических веществ в подземных водах определяется величиной содержащегося в них углерода Cорг

Живое вещество

в подземных водах

O Escherihia coli (кишечная палочка) – показатель бактериального загрязнения питьевых вод

O Колититр – объем воды в мл, приходящийся на 1 кишечную палочку

O Колииндекс – количество кишечных палочек в 1 дм3 воды

В подземных водах

содержатся

микроорганизмы

растительного и

животного

происхождения, в

основном бактерии. Их

размеры не превышают

1 мкм.

Колититр питьевой воды должен быть не менее 300 л, колииндекс – не более 3 (ГОСТ 2874-82)