11. Методы анализа воды

Выбор метода зависит от целей анализа. Нужно пом­нить, что чем точнее анализ, тем он дороже, поэтому не во всех случаях разумно пользоваться наиболее точными и трудоемкими методами. С точки зрения особенностей химического анализа природные воды можно условно разделить на следующие группы: 1) ультра­пресные, 2) пресные и слабосоленые, 3) соленые и сильносоленые, 4) рассолы, 5) минеральные газирующие, 6) кислые рудничные (шахтные) и фумарольные воды.

Химический анализ первых трех типов вод имеет много общего и наиболее прост по выполнению. При повышенных требованиях к точности результатов анализа ультрапресные воды перед анализом концентрируются упарива­нием. Упаривание можно производить для определения Nа⁺, К⁺, Са²⁺, Мg²⁺, С1^- и S0₄ ^2- (для определения остальных макрокомпо­нентов упаривать воду нельзя). При анализе соленых и сильносоленых вод их, наоборот, пред­варительно разбавляют. Разбавление практикуют лишь для опре­деления тех же шести компонентов Na⁺, К⁺, Са²⁺, Мg²⁺, С1^- и SO₄^2- и иногда для нитрат-иона.

Подземные воды – это сложные природные растворы, содержащие в своём составе все известные химические элементы в виде ионов или молекул, органические вещества, микроорганизмы, нерастворённые взвешенные частицы и газы. Исследованиями последних лет установлено, что из всех элементов таблицы Менделеева более 80 уже обнаружены в подземных водах. Химический состав подземных вод чрезвычайно сложен. Он зависит от источников химических элементов в подземных водах; от факторов, которые обеспечивают их состав; от процессов, происходящих в этой системе, обуславливающих переход элементов в воду; от геологической обстановки; от этапов формирования химического состава подземных вод. Также необходимо знать генетический тип воды и её геологическую историю.

Факторы формирования состава подземных вод: естественные или искусственные причины – силы, поля и процессы, определяющие возникновение, существование или изменение гидрогеохимических процессов в данной системе.

Процессы – определённые виды физико-химического или иного взаимодействия компонентов вещественного состава подземных вод между собой и окружающей средой, в результате которого (взаимодействия) изменяется химический состав и свойства воды.

Процессы являются следствием факторов.

Комплекс основных факторов и процессов называется условием формирования химического состава подземных вод.

Обстановки – природный фон, то есть среда существования подземных вод. От этих обстановок зависит интенсивность воздействия факторов и направленность процессов.

Факторы, процессы и обстановки контролируют переход химических элементов в подземные воды и определяют закономерности формирования их состава.

Этапы формирования отражают уровень, на котором находится взаимодействие в системе вода-порода-газ-органическое вещество.

Этот уровень меняется в результате круговоротов воды и в разные геологические эпохи он различен.

Факторы: по характеру своего воздействия подразделяются на несколько групп (классификация Посохова):

1. физико-географические факторы – климат, рельеф, гидрографическая сеть, выветривание, почвенный покров. Например, степень расчленённости рельефа – чем расчленённей, тем больше водообмен, более пресные воды, нормальная минерализация; спокойный рельеф, меньше водообмен, повышенная минерализация. Больше атмосферных осадков – пресные воды с меньшей минерализацией.

2. Геологические: геологическая структура, тектонические и неотектонические движения, литолого-фациальные особенности ГП (минеральный состав), процессы магматизма, метаморфизма, газовый фактор.

3. Гидрогеологические, гидродинамические, палеогидрогеологические условия.

4. Физико-химические факторы – фазовое состояние воды, химические свойства элементов, растворимость химических соединений, кислотно-щелочные условия, окислительно-восстановительные условия.

5. Физические факторы: температура, давление, магнетизм, радиоактивность, гравитация, время, пространство.

6. Биологические факторы: деятельность растений и микроорганизмов.

7. Техногенные факторы – искусственные – загрязнение, эксплуатация подземных вод, разработка месторождений ПИ, мелиорация, гидротехническое строительство и прочие.

В последнее время употребляется название «техногенные», а раньше – антропогенные, искусственные. В реальных условиях факторы не изолированы друг от друга, а взаимодействуют. Вода формируется под воздействием нескольких факторов.

Однако некоторые факторы в определённых условиях играют ведущую роль, другие – второстепенную, третьи могут вообще не оказывать никакого влияния.

Поэтому среди факторов различают прямые (непосредственно влияют на состав воды) и косвенные (влияют опосредованно).

По важности воздействия на состав: главные и второстепенные.

По времени и масштабу воздействия: постоянные и временные, региональные и локальные.

Зоны активного водообмена: климат, защищённость подземных вод – главные факторы.

Процессы: классификация Пинеккера (1982 год). По принципу действия гидрогеохимические процессы делятся на группы:

Конвективный перенос – перенос вещества движущимися потоками, должен быть направленный поток.

Диффузионный перенос – естественное равномерное перемешивание.

Вымораживание характерно для зон распространения ММП. Подземные воды очень богаты SiO₂. На севере воды пресные, ультрапресные.

При замерзании и таянии льда SiO₂ попадает в воду.

Растворение – процесс перевода в подземные воды из окружающей среды (ГП) любого вещества в ионной или молекулярной форме. Проще это процесс разрушения кристаллической решётки минералов.

Предельно возможная концентрация вещества в растворе – растворимость.

Пример: при температуре +10 ⁰С и атмосферном давлении в 1 л дистиллированной воды растворяется 358 г NaCl.То есть в 1 л воды может раствориться только 358 г соли.

Наибольшая растворяющая способность у соли, гипса и кальцита.

Наличие в воде свободной углекислоты способствует растворению кальцита наряду с сульфатами и хлоридами.

Скорость растворения зависит от многих причин: минеральной формы вещества, давления, температуры, степени дисперсности (размеры частиц), состава раствора.

Выщелачивание – процесс избирательного вывода – растворения и выноса из породы какого-либо компонента, обычно наиболее растворимого в данных условиях.

Сорбция – поглощение части растворённого в воде вещества поверхностью твёрдого тела.

Наибольшей сорбционной способностью обладают высокопористые или тонкодисперсные системы.

Разновидности: адсорбция – поглощение поверхностью твёрдого тела.

Абсорбция – объёмное поглощение твёрдым телом.

Хемосорбция – поглощение с образованием химических соединений. Процесс хемообразования необратим.

Наилучшие сорбционные свойства – глины, гумус, гидроксиды Fe, Al.

Десорбция противоположна сорбции.

Разложение воды – диссоциация – химическое разложение только воды на ионы H⁺ и OH^- с образованием слаборастворяющихся соединений вторичных минералов. Проще говоря, это процесс разрушения молекул минералов. Обратимый процесс.

Обратный процесс – синтез воды – соединение H⁺ и OH^- и формирование возрождённых вод с выделением CO₂.

Перечисленные процессы определяют формирование состава подземных вод, то есть накопление элементов определённого состава и в определённом соотношении.

Если вода в процессе круговорота изменяет свой состав, то в этом случае говорят о процессах метаморфизации.

Метаморфизация вод имеет направленный характер. Если состав воды изменяется:

HCO₃ SO₄ Cl, то такая метаморфизация называется прямой.

Изменение состава воды в обратном направлении – обратная метаморфизация.