Основные процессы, определяющие условия формирования химического состава пресных подземных вод

Практически все пресные подземные воды по своему генезису относятся к инфильтрационным, т.е. образовавшимся в результате инфильтрации атмосферных осадков. В дальнейшем химический состав инфильтрационных вод формируется под действием физико-химических и биохимических процессов, приводящих к равновесию между водой, водовмещающими породами, газами и живым веществом. Среди них в первую очередь следует выделить: растворение -процесс перехода вещества из твердой фазы в жидкую, сопровождающийся разрушением кристаллической структуры твердой фазы, выщелачивание - избирательное извлечение какого-либо компонента из твердого вещества, сохраняющего при этом свою кристаллическую структуру, кристаллизацию -процесс выделения твердой фазы из насыщенного раствора, сорбцию и десорбцию - процесс избирательного поглощения или выделения газообразных и растворенных веществ твердой фазой, ионный обмен - процесс эквивалентного обмена веществом между твердой и жидкой фазами, биохимические процессы - процессы, связанные с окислением или восстановлением вещества под действием микроорганизмов. Все вышеперечисленные процессы взаимосвязаны и, в свою очередь, определяют характер окислительно-восстановительных реакций, протекающих в самом водном растворе. Геохимии пресных подземных вод посвящена монография [22], а также отдельные главы в работах [2, 18].

Далее рассмотрим миграцию вещества в подземных водах. Подземные воды представляют собой сложную подвижную среду. Миграция вещества происходит преимущественно вследствие конвекции, т.е. перемещения вещества вместе с водной фазой. При очень малых скоростях потока возрастает роль диффузии - миграции вещества благодаря наличию градиентов концентрации. В реальном диапазоне скоростей фильтрации подземных вод массоперенос осуществляется главным образом путем конвекции, т.е. вместе с потоком жидкости. Средняя действительная скорость потока V определяется уравнением: V = к1/п, где к - коэффициент фильтрации, I - напорный градиент, п - активная пористость.

В процессе миграции происходит диффузионное и фильтационное рассеивание вещества, т.е. его дисперсия. Фильтрационная дисперсия обусловлена ветвлением элементарных струек воды в результате неоднородности поля скоростей потока внутри порового пространства (микродисперсия) и неоднородности пор в водовмещающих породах (макродисперсия). Таким образом, при миграции вещества в подземных водах образуется ореол его рассеивания с уменьшением концентраций к его краям. Более подробно теория массопереноса изложена в работах [6, 11, 24, 33].

Помимо дисперсии, миграция вещества в подземных водах сопровождается химическими, биохимическими и физико-химическими процессами, направленными на приведение в равновесное состояние системы вода - порода. В случае попадания в подземные воды загрязняющих веществ совокупность перечисленных выше процессов обобщается понятием самоочищение.

Самоочищение подземных вод от неорганических веществ происходит, как правило, вследствие осаждения компонентов раствора на геохимических барьерах. Понятие о геохимических барьерах было сформулировано А.И.Перельманом [40]. Геохимический барьер - это зона, в которой на коротком расстоянии происходит резкая смена гидрогеохимических условий миграции химических элементов, что вызывает осаждение этих элементов в твердую фазу. Геохимические барьеры возникают не только на границе разных фаз, но и в однородной среде, например, при изменении Еп - рН условий подземных вод или концентраций отдельных компонентов раствора. Основными геохимическими барьерами, приводящими к самоочищению пресных подземных вод, являются окислительный (кислородный), восстановительный, щелочной (гидролитический и карбонатный), сульфидный, кислый, сорбционный гидроксидный и сорбционный глинистый.

Окислительный барьер заключается в окислении более растворимых восстановленных соединений в менее растворимые окисленные. Например, способность околонейтральных и особенно щелочных подземных вод осаждать элементы-гидролизаты с минимальным ПР гидроксидов (Мп, Ре, А1). В результате таких процессов даже на участках загрязнения данными элементами подземные воды могут сохранять свой первоначальный состав.

Восстановительный барьер характеризуется преобразованием более растворимых окисленных форм элементов с переменной валентностью в менее растворимые -восстановленные. Например, Сг в около нейтральных кислородосодержащих водах находится в виде анионов НСЮ4 и СгО 4 (Сг). При снижении Еп происходит образование малорастворимых соединений Сг(ОН)3 и Сг2Оз (Сг).

Щелочной гидролитический барьер возникает при увеличении рН среды. При этом многие элементы, мигрирующие в виде комплексов (Ве, Нд2+, Сг3+, Ре3+, Мп3+, Си2+), переходят полностью или частично в твердую фазу в виде гидроксидов (ВеР+ +20Н = Ве(ОН)2 + Г).

Действие щелочного карбонатного барьера основано на образовании труднорастворимых карбонатов катионогенных элементов и элементов-комплексообразователей (Ре, Мп, Со, 2п, РЬ и др.).

Сульфидный барьер основан на образовании трудно растворимых сульфидов многих элементов-комплексообразователей и анионогенных элементов (Со", Си, Нд, N1, РЬ, 2п, Мо, Аз, ЗЬ). Условия действия этого барьера создаются в зонах сульфат-редукции, а также при подтоке сульфидных вод.

Сорбционный гидроксидный барьер основан на том, что свежеосажденные гидроксиды поливалентных элементов являются эффективными сорбентами. В первую очередь к ним относятся гидроксиды Ре, Мп, А1. В кислой среде данные гидроксиды наиболее интенсивно соосаждают \Л/, Аз, Зе, Мо, Сг, ЗЬ и др. В щелочной среде соосаждаются Ва, Зг, 2п, Си, РЬ и др.

Сорбционный глинистый барьер обусловлен наличием отрицательного заряда на поверхности глинистых минералов. В результате катионного обмена здесь могут осаждаться У, Ве, 2п, Си, Со", РЬ, Нд, Со, N1, Т1 и т.д.

Как правило, в природных условиях всегда имеет место не один, а несколько геохимических барьеров. С позиции самоочищения подземных вод наиболее эффективными являются окислительные барьеры для элементов с переменной валентностью и сорбционные для большинства элементов, содержащихся в воде в микроколичествах. Для органических веществ характерны также процессы саморазложения. В этом случае вещество продолжает мигрировать, но уже в виде продуктов химических и биохимических реакций.

Важной характеристикой процессов самоочищения является скорость их протекания. Скорость химических реакций уменьшается при понижении температуры. Для приближенной оценки влияния температуры на скорость химической реакции можно пользоваться правилом Вант-Гоффа, из которого следует, что при понижении температуры на 10 С скорость реакции уменьшается в 2 - 4 раза. Для биохимических реакций характерна зависимость их скорости как от температуры, так и от содержания кислорода. Для каждого вида микроорганизмов характерен свой температурный диапазон жизнедеятельности. При несоответствии температурных условий в подземных водах этому диапазону жизнедеятельность микроорганизмов замедляется в десятки и сотни раз.