Властивості та склад підземних вод

Підземні води залежно від особливостей фільтрації й глибини залягання водоносних горизонтів характеризуються фізичними та хімічними властивостями.

До фізичних властивостей належать колір, прозорість, запах, смак та температура води. Підземні води зазвичай не мають кольору. Лише за наявності в них домішок вони набувають різних відтінків. Так, жовтий і червонуватий відтінки надають воді окисні сполуки заліза; зеленувато-блакитний – закисні сполуки заліза й сірководень; сірий – суспензійні та колоїдні частки, бурий – органічні продукти тощо.

Смак підземним водам надають розчинені в них солі: NaCl – солоний, KCl – гіркий і т. ін. Підземні води у більшості випадків не мають запаху. Проте води, що вміщують H₂S, мають запах протухлих яєць, а органічні речовини надають воді запах болота. Температура підземних вод змінюється від 8 – 10 до 350 – 400^о С. Найнижчі температури характерні для регіонів з довічною мерзлотою, а найвищі – для вулканічних вод.

Залежно від температури підземні води поділяються на:

холодні (нижче ніж 20^о С),

теплі (20…37^о С),

гарячі (37…42^о С)

термальні (більше ніж 42^о С).

В Україні переважають холодні, а у гірських районах Карпат і Криму трапляються теплі та гарячі води. Підземні води, що не мають кольору, прозорі, холодні, без запаху й приємні на смак використовуються для питного водопостачання. Лікувальні води можуть мати ті або інші властивості, що відрізняють їх від питних вод.

Хімічний склад питних вод визначається геологічною історією розвитку гідрогеологічних структур, мінеральним складом водовміщуючих порід, умовами циркуляції вод, кліматом і, нарешті, антропогенним впливом. Причому антропогенні та кліматичні фактори впливають найбільше на підземні води верхніх водоносних горизонтів (передусім на верховодку та ґрунтові води). Циркулюючи у колекторах різних типів, підземні води, розчиняючи мінерали й породи, збагачуються різними хімічними елементами та сполуками.

Підземні води – складні водні розчини. У їхньому складі виділяються: макро- та мікрокомпоненти, гази, органічні речовини, мікроорганізми. Велике значення мають ізотопи хімічних елементів як самої води, так і розчинених в ній речовин. На сьогодні у підземних водах різними методами аналізу визначається 85 (із 105) хімічних елементів таблиці Менделєєва, які характеризують загальний хімічний тип води, її властивості й мають те або інше наукове чи практичне значення.

Згідно з Державним стандартом, природні води за величиною мінералізації поділяються на такі групи: прісні (до 1 г/кг), солонкуваті (від 1 до 20 г/кг), солоні (20 – 35 г/кг) та розсоли (більше 35 г/кг). У свою чергу розсоли поділяються на: дуже слабкі (менше 70 г/кг), слабкі (70 – 140 г/кг), міцні (140 – 270 г/кг), дуже міцні (270 – 350 г/кг), та надміцні (від 350 до 760 г/кг).

Макрокомпоненти визначають хімічний тип води, її загальну мінералізацію (сухий залишок) та назву за загальним хімічним складом. Основними макрокомпонентами є найрозповсюдженіші у земній корі катіоногенні (Ca, Mg. Na, K, Fe) та аніоногенні (Cl,S, C, Si) елементи. Можливість накопичення у водах певної мінералізації окремих макрокомпонентів визначається розчинністю сполук, що утворені головними катіоногенними елементами з головними аніоногенними. Збільшення мінералізації підземних вод відбувається за рахунок появи у розчинах більш розчинних сполук. Наймінералізованішими (М до 760 г/дм³) є надміцні хлоридні натрієві розсоли, а найменш мінералізованими (М менш ніж 10 мг/дм³) – ультрапрісні гідрокарбонатні натрієві води.

Мікрокомпоненти містяться у підземних водах у незначних кількостях, що визначаються міліграмами, мікрограмами та частками мікрограмів у 1 дм³. Іноді їх концентрації досягають кількостей, що дорівнюють вмісту макрокомпонентів. У цьому випадкові вони входять у формулу хімічного складу води, визначаючи її загальний хімічний тип. Багато з мікрокомпонентів (Fe, Mn, Cu, Zn, Pb, Al, Be, Mo, As, Se, Sr, F та ін.) повинні обов’язково визначатися у прісній питній воді, оскільки від них залежить її токсикологічні й інші показники.

Різні типи мінеральних вод здійснюють на організм людини лікувальний вплив саме завдяки вмісту в цих водах біологічно активних мікроелементів (Fe, Br, I, B, As, Si, F). З промислових вод (які є гідромінеральною сировиною) вилучаються такі мікрокомпоненти, як I, Br, B, Li, Pb, Si, W, S, Yта ін. Загальна кількість хімічних елементів, що вже вилучаються з підземних вод у промислових масштабах і перспективних для вилучення, досягає 30. Широке застосування при гідрогеохімічних пошуках (за хімічним складом підземних вод) як елементів-індикаторів дістали Ag, As, Au, B, Cu, F, Fe, Hg, Li, Mo, Ni, Pb, Zn, Sn, V, U, Ra тощо (усього більше ніж 50 елементів).

У підземних водах уміщується широка гама органічних сполук,що представлені всіма групами (вуглеводні, білки, ліпіди) та класами (карбонові кислоти, вуглеводні, спирти, альдегіди, кетони, аміни, ефіри), що вивчає органічна хімія. Найважливішою характеристикою водорозчинних органічних речовин є величина їх загальної кількості та вміст хімічних елементів, які входять до складу індивідуальних органічних сполук (С_орг., N_орг., Р_орг.).

З мікроорганізмів у підземних водах найбільше значення мають бактерії, мікроскопічні водорості, найпростіші та віруси. До групи бактерій належить більша частина одноклітинних мікробів.

Гази у підземних водах знаходяться у сорбованому, розчиненому та вільному станах. Між вільними і розчинними газами існує динамічна рівновага, яка порушується при зміні температури й тиску. Основними газами підземних вод є: О₂, N₂, CO₂, H₂S, H₂, NH₃, He, Rn, Ne, Ar, Xe, Kr.

За походженням вони поділяються на групи:

1) повітряні (N₂,O₂, CO₂, Ne, Ar), що надходять у підземні води з атмосферного повітря;

2) біохімічні (CH₄, CO₂ N₂ H₂S, H₂, О₂, важкі вуглеводні), що утворюються внаслідок розкладу мікроорганізмами органічних і мінеральних речовин;

3) хімічні (CO₂ H₂S, H₂, CH₄, CO, N₂, SO₂, NH₃), які утворюються внаслідок взаємодії води й породи;

4) радіоактивні та ядерних реакцій (He, Rn).

Ізотопи – різновиди одного й того ж хімічного елемента, що відрізняються масою атомів. Існують стабільні та радіоактивні ізотопи хімічних елементів як самої води (Н та О), так і макро- й мікро-компонентів, що вміщуються в ній.

Вивчення природного ізотопного складу підземних вод і штучних радіонуклідів як індикаторів гідрогеологічних, гідрогеохімічних, екологічних процесів має величезне значення. Це перш за все визначення віку підземних вод, ідентифікація областей живлення підземних вод, визначення віку нафтогазових залягань, вирішення питань охорони природного середовища та ін.

Для аналізу хімічного складу підземних вод найчастіше застосовуються фізико-хімічні (колориметричні, кінетичні, люмінесцентні, електрохімічні) й фізичні (спектральні, радіоактиваційні, рентгено- спектральні) методи. Результати хімічного аналізу підземних вод можуть бути представлені у різних формах – іонній, еквівалентній та процент-еквівалентній.

Найпоширенішою формою відображення складу підземних вод є формула Курлова (псевдодріб, у чисельнику якого вказано вміст у процент-еквівалентній формі найголовніших аніонів, а у знаменнику – вміст основних катіонів). Причому величину вмісту елементів та сполук записують у вигляді хімічних індексів.

Іони розташовують у порядку зменшення концентрацій у розчині. Ті іони, що вміщуються у кількості меншій за 1%-екв., у формулі звичайно не вказують. При визначенні хімічного типу води враховують лише ті іони, концентрації яких дорівнюють 25 і більше %-екв. Перед дробом записують найважливіші газоподібні компоненти води і величину її загальної мінералізації (М) у г/дм³. Після дробу пишуть значення рН (а також температури, Еh та ін.), наприклад:

М_2,5 pH 7,2; Eh+0,5. (4.3)

У нафтогазовій гідрогеології аналізи вод відображають у іонній, еквівалентній, процент-еквівалентній формах, використовуючи так звані характеристики за Пальмером.

Зображення хімічного складу вод можливо і за допомогою графіків - кіл (графік – коло Толстіхіна) та інших геометричних фігур. Дуже часто гідрогеологи-нафтовики використовують класифікацію В. Суліна. Особливою формою графічного зображення хімічного складу підземних вод є гідрогеохімічні карти й розрізи.

Контрольні питання

1. Які води називаються підземними?

2. За рахунок чого відбувається переміщення підземних вод?

3. Які види води зустрічаються у гірських породах?

4. Що називають джерелом?

5. Які за походженням типи підземних вод вам відомі?

6. Як утворюються ювенільні води?

7. Що називають пористістю гірських порід і як вона визначається?

8. Водопроникність гірських порід та її визначення?

9. Що називають водотривом, флюїдотривом?

10. Сформулюйте закон Дарсі та поясніть, де він застосовується.

11. Що називають коефіцієнтом фільтрації?

12. Що називають водовіддачею гірських порід і як вона визначається?

13. Як утворюються приповерхневі водоносні горизонти та яка їх будова?

14. Що називають водоносним горизонтом і водоносним комплексом?

15. Які класифікації підземних вод існують і на чому вони ґрунтуються?

16. Чим відрізняються безнапірні та напірні підземні води?

17. Як поділяються підземні води за ступенем мінералізації?

18. Схарактеризуйте фізичні властивості підземних вод.

19. Як поділяються підземні води залежно від температури?

20. На які групи поділяються природні води за величиною мінералізації?