Региональные геохимические провинции пресных подземных вод, некондиционных по содержаниям микро...
logo1-color


Региональные геохимические провинции пресных подземных вод, некондиционных по содержаниям микроэлементов

Автор: Закутин В.П.


 

Выполненная в последние годы оценка прогнозных ресурсов питьевых подземных вод России, на которой базируется характеристика обеспеченности населения страны подземными водами для цели хозяйственно-питьевого водоснабжения, позволила определить наиболее актуальные задачи и наметить основные направления работ по развитию минерально-сырьевой базы питьевых вод и их использованию [3].

Среди этих задач выделяются задачи, связанные с изучением качества подземных вод, которые являются первоочередными для решения в регионах, характеризующихся повышенными (?ПДК) содержаниями ряда микрокомпонентов в пресных водах.

Ранее, в результате изучения качества подземных вод России и исходя из общих геохимических предпосылок, было показано, что на территории страны в результате природных процессов формируются региональные гидрогеохимические провинции подземных вод с повышенными содержаниями нормируемых химических элементов [1].

При этом было сформулировано понятие "гидрогеохимическая провинция", под которой понимается "территория, объединяющая комплекс водоносных горизонтов артезианских бассейнов или гидрогеологических массивов, подземные воды которых имеют повышенные (по отношению к ПДК) концентрации нормируемых химических элементов и веществ". Для таких гидрогеохимических провинций характерны:

- высокий уровень фоновых концентраций нормируемых химических элементов, приближающийся по своим значениям к ПДК или превышающий его;

- высокая частота встречаемости (>50%) в подземных водах их концентраций, превышающих ПДК.

В цитируемой работе были выделены гидрогеохимические провинции следующих химических элементов и соединений, формирование повышенных концентраций которых в подземных водах происходит вследствие природных взаимосвязей в системе «вода-порода»:

- санитарно-токсикологических показателей качества питьевых вод: аммония, бора, бериллия, мышьяка, ртути, селена, стронция, фторид-иона;

- органолептических показателей качества питьевых вод: макро-анионов – сульфат - и хлорид-ионов, микрокомпонентов – железа и марганца.

Материалы изучения качества пресных подземных вод, полученные компанией ГИДЭК при проведении поисково-разведочных работ на питьевые воды в различных регионах России, существенно дополняют исследования предыдущих лет и позволяют уточнить значимость вышеперечисленных гидрогеохимических провинций с санитарно-гигиенических позиций в связи с оценкой обеспеченности населения страны кондиционными по своему качеству подземными водами.

Кроме того, введение в действие СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества» обусловило расширение числа контролируемых в водах нормируемых микрокомпонентов, некоторые из которых пользуются региональным распространением повышенных (> ПДК) фоновых концентраций и образуют обширные гидрогеохимические провинции.

Среди этих микрокомпонентов выделяются аммоний и бромид-ионы, кремний, литий, а также макрокатион-натрий. Кроме того, вышенормативными значениями в определенных условиях характеризуются обобщенные показатели – общая жесткость подземных вод и перманганатная окисляемость.

В журнальной статье невозможно дать характеристику всех гидрогеохимических провинций, поэтому данная работа направлена на рассмотрение основных природных геохимических процессов, протекающих в системе «вода-порода» и формирующих повышение концентрации нормируемых элементов и соединений в пресных подземных водах, рассмотрена современная изученность гидрогеохимических провинций и определены наиболее актуальные задачи дальнейших исследований.

 

Основные природные геохимические процессы, формирующие региональные гидрогеохимические провинции

 

Важнейшие из природных процессов, формирующих некондиционные пресные воды:

1. увеличение концентраций основных макроанионов и макрокатионов их химического состава в результате растворения минералов водовмещающих отложений;

2. изменение эквивалентных соотношений макрокомпонентов, влияющих на миграционную способность нормируемых микорокомпонентов;

3. образование окислительно-восстановительных условий, благоприятных для миграции нормируемых переменновалентных элементов.

Увеличение концентраций основных макроанионов и макрокатионов химического состава подземных вод

В работе [1] было показано, что существует два основных природных геохимических процесса, обуславливающих увеличение минерализации подземных вод и, тем самым, формирующих гидрогеохимические провинции подземных вод повышенной минерализации: - испарительное концентрирование грунтовых вод; - растворение и диффузиионное рассоление минералов галогенных формаций и первичных седиментационных рассолов.

Являясь, безусловно, геохимически значимыми для формирования солоноватых подземных вод, эти процессы практически не играют важной роли в их выведении из системы хозяйственно-питьевого водоснабжения при рациональной эксплуатации продуктивных водоносных горизонтов.

Гораздо более значимыми являются процессы растворения гипсов (CaSO4*2H2O), ангидритов (CaSO4), тенардита (Na2SO4), широко развитых в водоносных отложениях многих артезианских бассейнов (например, Московского, Волго-Камского), а также процессы растворения рассеянных минералов отложений морского генезиса (например, Западно-Сибирского и Восточно-Сибирского артезианских бассейнов).

В результате растворения гипсов и ангидритов в водную фазу переходят дополнительные концентрации Ca2+ и SO42-, что приводит к формированию сульфатных кальциевых вод повышенной жесткости и минерализации. При этом значения общей жесткости подземных вод возрастают до предельных значений быстрее, чем величина их минерализации, и воды, в целом кондиционные по суммарному количеству растворенных минеральных веществ, требуют водоподготовки по умягчению.

Процесс растворения тенардита обусловливает переход в воду эквивалентных количеств Na+ и SO42- и, как следствие, формирование сульфатных натриевых вод повышенной минерализации, с содержаниями натрия выше предельного уровня (200 мг/л).

Водоносные отложения морского генезиса содержат рассеянные хорошо растворимые минералы натрия и хлора; в результате эти макрокомпоненты переходят из пород в воду, что определяет формирование гидрокарбонатно-хлоридных, хлоридных натриевых вод повышенной минерализации, с концентрациями Na+ и Cl- выше значений их ПДК.

При этом следует иметь в виду, что целый ряд микрокомпонентов, обладающих парагенетической связью с перечисленными выше макрокомпонентами, также переходят в воду и мигрируют в повышенных количествах, образуя гидрогеохимические провинции.

Так, стронций, часто находящийся в минеральной форме в гипс-ангидритовых породах в виде целестина (SrSO4), образует комплексные гидрогеохимические провинции жестких сульфатных сторонцийсодержащих вод.

Бромид-ион, являющийся геохимическим аналогом хлоридного иона, обладает повышенной миграционной способностью в пресных хлоридных водах, циркулирующих в отложениях морского генезиса. Эмпирическим путем установлено, что в таких условиях при концентрациях Cl- более 100 мг/л пресные подземных водах содержат Br- свыше значений ПДК (0,2 мг/л), и такие воды образуют региональные гидрогеохимические провинции.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что при выделении гидрогеохимических провинций, формирующихся при увеличении концентраций основных макроанионов и макрокатионов химического состава подземных вод, следует учитывать, в одном случае – распространение в водовмещающих породах гипса, ангидрита, тенардита, а в другом – распространение отложений морского генезиса. При этом в водах определенного геохимического облика, как правило, встречаются определенные микроэлементы, обладающие парагенетической связью с определенными макрокомпонентами.

 

Изменение эквивалентных соотношений макрокомпонентов

В наше время достаточно хорошо известны региональные гидрогеохимические провинции фтора, бора, мышьяка, формирование которых связано с определенными эквивалентными отношениями между натрием и кальцием в водах [1,2].

Так, для бороносных гидрогеохимических провинций установлено, что при соотношениях rNa / rCa более 0,5-1 концентрации B в пресных подземных водах практически всегда превосходят значения ПДК (Волго-Камская, Зауральская, Западно-Сибирская провинции). Это означает, что в подземных водах с определенным отношением натрия к кальцию существует высокая вероятность обнаружения высоких фоновых концентраций бора, что служит показателем необходимости рассмотрения специальных мероприятий по водоподготовке с целью снижения содержаний B. При этом водовмещающие отложения содержат кларковые количества элемента в твердой фазе.

Несколько иная картина наблюдается для фтора и мышьяка, для которых переход из пород в воду высоких (более ПДК) концентраций возможен лишь в случае повышенных их содержаний в водовмещающих породах.

Другой пример связан с формированием литиевых гидрогеохимических провинций, для подземных вод которых характерны определенные отношения rNa / rK. Известно, что щелочные элементы по сорбционной способности образуют ряд K+ > Na+ > Li+. Это означает, что на контакте водовмещающих пород с повышенным количеством глинистой составляющей и подземных вод происходит ионным обмен и калий переходит в твердую фазу, вытесняя из нее в воду в первую очередь литий.

Так, в подземных водах мячковско-подольского водоносного горизонта Московского артезианского бассейна при соотношении rNa / rK менее 10 существует высокая вероятность обнаружения повышенных (более 0,03 мг/л) концентраций лития.

Здесь важно подчеркнуть, в этом и предыдущих разделах было показано, что формирование гидрогеохимических провинций есть результат образования в гидрогеологических структурах вод определенного химического состава или определенных отношений макрокомпонентов, которое подчинено гидрогеохимической зональности водоносных систем. Существование такой зональности является закономерным и прогнозируемым, а значит и процесс формирования гидрогеохимических провинций – процесс прогнозируемый.

 

Образование окислительно-восстановительных условий, благоприятных для миграции нормируемых переменновалентных элементов

Формирование гидрогеохимических провинций, связанное с образованием определенных окислительно-восстановительных условий подземных вод, имеет отношение к нормируемым переменновалентным элементам.

В связи с этим бескислородные условия с низкими положительными значениями окислительно-восстановительного потенциала благоприятны для миграции повышенных (относительно ПДК) концентраций закисных форм железа (Fe2+), марганца (Mn2+), а также аммонийного иона (NH4+), в котором азот имеет низкую (восстановительную) форму.

Такие комплексные гидрогеохимические провинции широко распространены в центральных частях артезианских бассейнов (Московская, Волго-Камская, Западно- и Восточно-Сибирская, Амуро-Зейская и др.), а также в регионах распространения многолетнемерзлых пород (типичные примеры: группа Салехардских месторождений подземных вод, Юредейяхинское, Пионерное месторождения и др.).

Отличительной геохимической чертой подземных вод таких провинций являются высокие значения перманганатной окисляемости (более 2-5 мгО/л), формирование которых связано с повышенным содержанием органических веществ в составе твердой фазы водовмещающих пород, а также с дополнительным расходом перманганата калия на окисление закисных форм железа, марганца, а также аммония.

Принципиально иной набор переменновалентных элементов содержится в водах с высокими значениями Eh, однако достаточно высокие значения ПДК, установленные для селена, теллура, хрома и обычно кларковые их содержания в породах не приводят к образованию гидрогеохимических провинций с такими водами.

 

Современная изученность гидрогеохимических провинций и задачи дальнейших исследований

 

Изученность гидрогеохимических провинций в настоящее время явно недостаточна. Достаточно сказать, что существует выраженная неравномерность изученности как собственно геохимии отдельных элементов в пресных подземных водах, так и самостоятельных гидрогеохимических провинций, которые формируют эти элементы.

Примером этого служит последняя фундаментальная работа в области прикладной гидрогеохимии [2], в которой достаточно подробно рассмотрены основы геохимии важнейших нормируемых химических элементов в хозяйственно-питьевых водах: стронция, железа, марганца, ртути, мышьяка, селена фтора.

При этом гидрогеохимия лития, бора, брома освящена только применительно к промышленным водам, а соединений азота (в том числе аммоний-иона) – в связи с процессами загрязнения подземных вод.

Отсюда следует, что одной из актуальных задач прикладной гидрогеохимии является изучение геохимии аммония, алюминия, бария, бора, брома, кремния, лития.

Характеристика гидрогеохимических провинций пресных подземных вод должна включать обоснование их границ в пределах конкретных гидрогеологических структур, включая приуроченность к определенным продуктивным водоносным горизонтам или их зонам, эксплуатируемым для хозяйственно-питьевых целей, оценку пространственно-временной изменчивости концентраций элементов, образующих эти провинции, во взаимосвязи с изменчивостью интегральных геохимических свойств подземных вод.

На основании полученных данных картируются границы гидрогеохимических провинций, статистически оценивается распределение в водах элементов, образующих эти провинции, а также оценивается вероятность обнаружения в водах тех или иных концентраций этих элементов.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Крайнов С.Р., Закутин В.П. Геохимико-экологическое состояние подземных вод России (Причины и тенденции изменения химического состава подземных вод). Геохимия, №3 1994, с.312-319
  2. Крайнов С.Р., Рыженко Б.Н., Швец В.М. Геохимия подземных вод. Теоретические, прикладные и экологические аспекты. М., Наука, 2004, 677с.
  3. Язвин Л.С. Оценка прогнозных ресурсов питьевых подземных вод и обеспеченность населения России подземными водами для хозяйственно-питьевого водоснабжения. М., «Разведка и охрана недр», 2003, с. 13-20.