Формирование химического состава

Формирование химического состава грунтовых вод в общем случае может быть связано с проявлением всех процессов, рас­смотренных выше (см. гл. 4). Однако в качестве основных про­цессов по степени их влияния на формирование химического со­става и минерализации грунтовых вод должны рассматриваться процессы: выщелачивания горных пород; концентрирования при разгрузке грунтовых вод испарением; смешения с водами более глубоких водоносных горизонтов (на участках их восходящей раз­грузки); антропогенного воздействия на грунтовые воды.

Выщелачивание пород зоны аэрации и водовмещающих пород грунтового горизонта в естественных условиях является основным процессом поступления минеральных веществ в грунтовые воды. Состав поступающих веществ и их концентрация определяются минералого-геохимическим комплексом горных пород. В услови­ях зон умеренного и избыточного увлажнения горные породы верхней части геологического разреза (зона аэрации, грунтовый водоносный горизонт) находятся на так называемой карбонатной стадии выщелачивания, поскольку более растворимые соедине­ния (хлориды и сульфаты) в условиях интенсивною водообмена уже вынесены из верхней зоны. В этом случае в результате про­цесса выщелачивания формируются, как правило, грунтовые воды НСО,—Ca(Mg) состава с минерализацией менее 1,0 г/л. Од­нако в пределах территорий, где в верхней части разреза широко распространены гипсы и загипсованные породы (Приуралье, се­верная часть Московской синеклизы и др.), непосредственно в процессе выщелачивания формируются грунтовые воды S0₄—Са состава с минерализацией до 2,0—2,5 г/л и более. На территориях с аридным климатом при малых (до 10—15 мм/год и менее) вели­чинах инфильтрационно-конденсационного питания и значи­тельных (до 30—50 м и более) мощностях зоны аэрации в ней в течение длительного времени могут сохраняться легкораствори­мые соединения (погребенные засоленные почвы, морские отло­жения и др.). В этом случае в результате выщелачивания возмож­но формирование “пестрых" по составу (S0₄, Cl—S0₄ и др.) грунтовых вод с минерализацией до 3,0—5,0 г/л и более.

В отложениях верхнечетвертичных и современных террас со­леных озер (Прикаспий, юг Западной Сибири и др.) при наличии в них прослоев солей, засоленных суглинков и почв непосредст­венно в результате выщелачивания возможно формирование грун­товых вод Cl—Na состава с минерализацией до 50 г/л и более.

Процесс испарения (разгрузка путем испарения, см. выше) ока­зывает определяющее влияние на формирование состава грунто­вых вод в пределах аридных и семиаридных территорий на участ­ках с неглубоким (до 3—5 м) залеганием уровня. В этих условиях капиллярная кайма достигает поверхности земли, что определяет возможность интенсивного испарения грунтовых вод и накопле­ния солей в почвенном слое и на поверхности земли (формиро­вание солончаков и солонцов). В последующем при выпадении атмосферных осадков или поступлении в такие понижения вод склонового стока происходит растворение более легкорастворимых соединений (хлориды, сульфаты) и “вторичное” поступление их в грунтовый горизонт с инфильтрующимися водами. Проявление этого “механизма” в течение длительного времени (чередование в зависимости от сезонов года периодов разгрузки испарением и пе­риодов инфильтрационного питания) приводит к формированию под такими понижениями минерализованных вод и рассолов преиму­щественно Cl и S0₄—Cl состава. Это явление обычно рассматри­вается как процесс континентального засоления грунтовых вод.

Процессы смешения с более глубокими минерализованными во­дами определяют изменение состава грунтовых вод на участках интенсивной глубинной разгрузки (долины крупных рек, примор­ские низменности, внутриконтинентальные впадины). В зави­симости от расходов разгружающихся глубоких вод и их состава изменения минерализации и состава грунтовых вод могут быть различными. Наиболее интенсивные проявления этого фактора характерны для участков, где на относительно небольших глуби­нах залегают соли или засоленные горные породы (Соликамская впадина, Ангаро-Ленский регион и др.). В этом случае в современ­ных и верхнечетвертичных аллювиальных отложениях на отдель­ных участках формируются “купола” высокоминерализованных вод и рассолов хлоридного состава (долины рек Кама, Лена и др.).

Влияние антропогенного фактора на формирование химиче­ского состава грунтовых вод наиболее заметно проявляется на тер­риториях городских агломераций, промышленных предприятий и районов интенсивной сельскохозяйственной деятельности. В этом случае изменения химического состава грунтовых вод могут быть связаны, с одной стороны, с резко повышенными (в сравнении с естественным фоном) концентрациями обычных компонентов (СГ, SO*”, NO”, NO” и др.), с другой — с наличием компонентов, не характерных для грунтовых вод района в естественных условиях (тяжелые металлы, органические соединения, ядохимикаты и др., см. гл. 16).

Гидрогеохимический режим грунтовых вод тесно связан с гидро­динамическим режимом и определяется главным образом измене­нием (во времени) соотношения приходных и расходных статей баланса грунтового водоносного горизонта (см. уравнение 7.2).

В периоды формирования интенсивного атмосферного питания и соответственно подъема уровня грунтовых вод за счет поступле­ния менее минерализованных вод (минерализация атмосферных осадков обычно не превышает 20—30 мг/л) происходит относи­тельное уменьшение минерализации фунтовых вод, особенно за­метно проявляющееся в верхней части водоносного горизонта. На участках с приречным видом режима уменьшение минерали­зации в периоды интенсивного питания связаны с фильтрацией в грунтовый водоносный горизонт менее минерализованных поверх­ностных вод.

В периоды отсутствия питания грунтовых вод и сработки их запасов в результате разгрузки (снижение уровня) происходит от­носительное увеличение минерализации грунтовых вод, которое может быть связано с процессом выщелачивания водовмещаю­щих пород, перераспределением (выравниванием концентрации) растворенных веществ в разрезе водоносного горизонта, относи­тельным увеличением в периоды с низким положением уровня грунтовых вод притока из нижележащих водоносных горизонтов, процессами криогенного концентрирования при промерзании грунтовых вод и др.

Величина изменения общей минерализации грунтовых вод в годовом периоде (амплитуда) в зависимости от глубины залега­ния их уровня, климатических условий местности, состава водо­вмещающих пород и других факторов изменяется от нескольких миллиграммов до 30—40 г/л и более. В общем случае амплитуда изменения минерализации грунтовых вод (абсолютные значения) возрастает с увеличением их общей минерализации (Ковалевский, 1983). Изменения общей минерализации грунтовых вод происходят за счет содержания основных компонентов химического состава подземных вод (HCO_v СГ, SO², Na⁺, Са²\ Mg²⁺), однако в зави­симости от минералого-геохимического состава пород зоны аэра­ции, климатических условий местности и ряда других факторов режим изменения концентрации этих компонентов может быть различным.

В пределах конкретных участков территории в зависимости от глубины залегания, кшматических условий, параметров водовме­щающих пород и других факторов закономерности гидрогеохи­мического режима грунтовых вод могут существенно изменяться.

Так, при значительных (более Ю м) глубинах залегания грунто­вых вод и отсутствии близко расположенных участков сосредото­ченного интенсивного питания изменения общей минерализации

и химического состава грунтовых вод во времени могут практи­чески отсутствовать.

При значительном загрязнении поверхности земли в период формирования интенсивного инфильтрационного питания (осо­бенно в начале периода) возможно возрастание обшей минерали­зации грунтовых вод за счет увеличения концентрации NO_r NСф. СИ, SO'⁺, увеличение содержания органических веществ и ряда других химических компонентов.

На участках с прибрежным видом режима фильтрация в берега сильно загрязненных или минерализованных поверхностных вод также приводит к заметному изменению состава грунтовых вод. Особенно резко это проявляется в котловинах соленых озер при сезонных подъемах уровня воды и на морских побережьях, где особенности формирования гидрогеохимического режима связа­ны с фильтрацией морских вод (морские приливы и отливы).

На территориях с неглубоким залеганием уровня грунтовых вод изменение соотношения величин их разгрузки за счет собственно испарения и транспирации растительностью (изменения этих со­отношений в плане от участка к участку, по сезонам года или в многолетнем периоде и т.д.) приводит к заметным различиям гидро- геохимичсского режима грунтовых вод на смежных участках и др.