Физические свойства подземных вод

Физические свойства подземных вод являются важнейшими показателями качества, и их оценка необходима при любых гид­рогеологических исследованиях. При перспективе хозяйственно­питьевого использования подземных вод оценка соответствия су­ществующим государственным стандартам является обязательной (см. гл. 14).

Мутность и прозрачность. Мутность воды обусловлена нали­чием взвешенных частиц величиной более 100 нм (10~⁷ м) и вы­ражается их массой на единицу объема воды (мг/дм³). Наличие взвесей является крайне редким для подземных вод, поэтому обычно для их оценки с этой точки зрения пользуются показате­лем прозрачности, величина которого обратна мутности. При ориентировочной оценке прозрачность выражается предельной высотой столба воды (см) в градуированном цилиндре с плоским дном, при которой возможно чтение стандартного шрифта, рас­положенного на расстоянии 4 см от дна цилиндра, или виден крест с толщиной линии 1 мм. Более точно оценка прозрачности (мг/дм³) проводится фотометрическим путем сравнения со стан­дартными эталонными суспензиями каолина. Вода, используемая для хозяйственно-питьевого водоснабжения, должна иметь про­зрачность “по шрифту" не менее 30 см и “по кресту” не менее 300 см, по стандартной шкале — не более 1,5 мг/дм³. Для визу­ального определения степени мутности или прозрачности воды употребляют термины: прозрачная, слабоопалесцирующая, опалесци- рующая, слегка мутная, мутная и сильно мутная.

В области развития мерзлых пород, особенно весной и в нача­ле лета, в периоды интенсивного таяния снега и льда характерно появление источников “опалесцирующих” вод. Опалесценция обусловлена наличием тонких взвесей и коллоидов гидроксидов алюминия и железа, кремнскислоты, органических веществ, т.е. частиц размерами от 1 до 100 нм, генезис которых связан с про­цессами вымораживания. Коллоидные системы устойчивы, про­зрачность их ничтожна, поэтому в них определяют мутность. Коллоидные частицы не отделяются обычным фильтрованием и не оседают. В природных условиях коагуляция коллоидов может вызываться изменением температуры, механическими воздей­ствиями. При очистке подземных вод от коллоидов применяют введение электролитов с противоположным зарядом ионов.

Цветность. Подземные воды обычно бесцветны. Окраску от слабо-желтой до бурой придают воде гуминовые и фульвокисло- ты, а также их растворимые соли, в первую очередь гуматы и фульваты окисного железа. Зеленоватую или красноватую окрас­ку имеют воды, обогащенные соответствующими микроорганиз­мами, например водорослями, зеленовато-голубую — закисным железом или сероводородом. Цветность определяют фотометриче­ски в градусах цветности по шкале стандартных растворов (смесь бихромата калия и сульфата кобальта), имитирующих цвет при­родной воды. Цветность, обусловленная фульвокислотами, может достигать 3000° и более.

Запах и вкус воды зависят от содержания в ней газов, мине­ральных и органических веществ (в том числе продуктов жизне­деятельности микроорганизмов) и могут быть как естественного, так и искусственного генезиса. Определение интенсивности запаха и вкуса проводится органолептически при температурах 20 и 60°С и оценивается по пятибалльной системе (0 — нет, 1 — очень слабая, 2 — слабая, 3 — заметная, 4 — отчетливая, 5 — очень сильная). Запах определяют в соответствии с ощущениями (гнилостный, землистый, хлорный и т.д.). Для вкуса существуют четыре основ­ных определения: соленый, кислый, сладкий, горький. Все другие виды вкусовых ощущений называются привкусами и уточняют основные понятия, например металлический, содовый и др. Вку­совые качества воды, важные для ее использования в питьевых целях, определяют предельно допустимые концентрации некото­рых элементов, нормируемые ГОСТом, несмотря на то что эти элементы не обладают выраженным токсическим действием. На­пример, при концентрации хлоридов натрия до 500 мг/л вода имеет сладковатый привкус, при содержании более 500 мг/л — солоноватый. При концентрации сульфатов более 500 мг/л по­является неприятный горьковатый привкус и вода приобретает слабительные свойства, при концентрации железа более 0,3 мг/л появляется терпкий или чернильный привкус и т.д. Запах серово­дорода (тухлых яиц) улавливается нашими органами чувств уже при его концентрации менее 1 мг/дм³. Гидрокарбонаты кальция и магния, а также свободная углекислота придают воде приятный свежий привкус.

Температура подземных вод является одним из важнейших по­казателей генезиса и глубины их циркуляции. Диапазон измене­ния известных температур природных вод на Земле составляет около 400°С. От -5° и ниже в районах развития многолетнемерз­лых пород до 100° и более в гейзерах вулканических областей и до 350—370°С в глубинных субаквальных источниках океанических впадин, в так называемых сульфидных “черных курильщиках”, и на глубинах 1500 м и более в районах современной вулканической деятельности. Температура фунтовых вод в гумидной зоне обычно составляет 3—10°С, в аридной зоне до 12° и более. Артезианские воды могут достигать температуры 90—100°С и более. Из множе­ства классификаций подземных вод по температуре (О.А. Алекин, Б.Ф. Маврицкий, Ф.А. Макаренко, А.М. Овчинников, Н.И. Толсти- хин и др.) приведем классификацию А.В. Щербакова (табл. 4.2).

Плотность чистой воды при 25°С и давлении 101,325 кПа со­ставляет 0,99797 г/см³, она меняется в зависимости от температу-

Таблица 4.2

Классификация подземных вод по температуре (Щербаков, 1979)

ры, давления, количества растворенных, взвешенных веществ и газов. Плотность рассолов в Иркутском артезианском бассейне достигает 1,5 г/см³. Определение плотности воды всегда проводят при точно измеренной температуре (ориентировочно — с помо­щью ареометра, точно — весовым методом) и затем с помощью температурных коэффициентов для электролитов-аналогов пере­считывают на температуру воды в пласте.

Вязкость (внутреннее трение) имеет большое значение для про­цесса фильтрации, особенно в слабопроницаемых породах. Едини­цей динамической вязкости в системе СИ служит 1 паскаль/секунда (1 Па • с) — вязкость такой среды, в которой при давлении сдвига 1 Па разность скоростей ламинарного движения жидкости на расстоянии 1 м составляет 1 м • с. В гидрогеологической литера­туре до последнего времени употреблялась единица вязкости 1 сантипуаз (1 сП=10^_3 Па-с), для которой эталоном являлась вязкость чистой воды при 20°С. При 0°С чистая вода характери­зуется вязкостью 1,79 • КС³ Па-с, при 100° — 0,28- 10 ³ Па • с, т.е. в 6 раз меньше. Вязкость пара почти в 200 раз меньше, чем у воды. При одной и той же температуре рассолы характеризуются большей вязкостью, чем пресная вода. Исследования структуры и свойств воды обнаружили незакономерность изменения вязкости воды с повышением давления: в интервале температур 0—30°С она несколько уменьшается, затем длительное время практически не изменяется и начинает увеличиваться, как и у всех жидкостей, лишь по достижении давления порядка 10^s Па (1000 атм). Вяз­кость воды уменьшается с ростом температуры.

Существует также понятие кинематической вязкости (величина динамической вязкости, отнесенная к плотности), единицей из­мерения которой служит стоке (1 С = 1 см^:/с).

Электропроводность. Подземные воды в зависимости от содер­жания тех или иных количеств электролитов обладают различной электропроводностью, которая колеблется от 3- 10 до 3* КС³ Ом • м для пресных вод и возрастает до 5 • 10^_3—1,2 • 10° Ом • м в рассолах. На этом свойстве воды основан принцип действия при­боров для измерения степени минерализации воды — солемеров.

Радиоактивность подземных вод определяется содержанием в них растворенных соединений урана, радия, а также инертных газов: нерадиоактивного гелия и радона, являющегося эманацией радия. Единицей радиоактивности в системе СИ является бекке- рель (Бк) — активность нуклида 1 распад в 1 с. Радиоактивные свойства подземных вод по отношению к объему принято выра­жать в удельных единицах. В гидрогеологической литературе мож­но встретить различные, в том числе устаревшие, единицы ра­диоактивности: I эман/л = 0,28 ед. Махе = 1 • КС'⁰ Ки/л (кюри на литр) или 10 нКи/л (нанокюри на литр) = 3,7 Бк/дм³. Подземные воды могут содержать значительные количества радона — от 1—30 в кислых магматических породах и иногда осадочных породах до 150 тыс. Бк/дм³ в зоне окисления урановых месторождений. Воды с содержанием радона 1—70 Бк/дм³ используются в бальнеологи­ческих целях.

Содержание гелия в подземных водах в последние годы стало объектом пристального изучения. Гелий, представляющий собой продукт распада радиоактивных элементов, непрерывно образуется в земной коре и мигрирует к поверхности по относительно про­ницаемым зонам. В процессе гелиевой съемки прекрасно марки­руются разломы земной коры и узлы их пересечений, выявляются особенности строения фундамента и перекрывающих отложений. Гелий используется так же, как индикатор при поисках место­рождений радиоактивных минералов.

Радиоактивность подземных вод, содержащих уран и радий, всегда связана с содержанием их в водовмещающих породах, по­этому максимальной радиоактивностью характеризуются воды кислых магматических пород, а наименьшей — осадочных пород, если последние не содержат вторичных или переотложенных ра­диоактивных минералов. Употребление воды, содержащей радий, недопустимо, поскольку он накапливается в человеческом орга­низме.