1. ОСНОВНЫЕ ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ТИПЫ И ПРОВИНЦИИ МИНЕРАЛЬНЫХ И ТЕРМАЛЬНЫХ ВОД
1.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МИНЕРАЛЬНЫХ ВОДАХ
К минеральным (лечебным) водам, по А. М. Овчинникову, относятся природные воды, которые могут оказывать на организм человека лечебное действие, обусловленное повышенным содержанием полезных, биологически активных компонентов ионно-солевого и газового состава, либо общим ионно-солевым составом воды, а также органическим веществом.
Среди основных типов минеральных (лечебных) вод следует выделить железо- и мышьяксодержащие, сероводородные (сульфидные), углекислые, радоновые, йодные, бромные, борные, кремнистые, содержащие органические вещества (типа «Нафтуся») (см прил.1).
Существует несколько классификаций минеральных вод. Среди них наиболее известны классификации А. М. Овчинникова, В. В. Иванова и Г. А. Невраева.
Классификация А. М. Овчинникова построена по принципу формирования минеральных вод в различных геохимических обстановках — окислительной, восстановительной и метаморфической*. Наиболее разнообразна первая группа, к которой относятся: 1. железо- и мышьяксодержащие воды, воды, обогащенные органическим веществом, сульфатные, хлоридные и переходные хлоридно-сульфатные воды.
Ко второй группе относятся: азотные термальные, метановые и сероводородные воды.
К третьей группе относятся углекислые воды, которые в соответствии с общим химическим составом подразделяются на пять типов: 1) НСО3-Са (Кисловодский нарзан); 2) НСО3-SО4-Na и С1-НСО3-Са (Железноводск, Джермук, Пятигорск, Карловы Вары), 3) щелочные НСО3-Nа (Боржоми), 4) соляно-щелочные НСОз-С1-Nа (Ессентуки), 5) С1-Na (Арзни).
В. В. Иванов и Г. А. Невраев по ионному составу выделили девять классов минеральных вод, а среди основных бальнеологических групп семь наименований:
А — без специфических компонентов и свойств,
Б — углекислые,
В— сульфидные (сероводородные ),
Г—железистые, мышьяковистые и с высоким содержанием Mn,Cu,AL,Zn,
Д — бромные, йодные и с высоким содержанием органических веществ,
Е — радоновые,
Ж — кремнистые термальные.
Минеральные лечебные воды подразделяются на воды для внутреннего (питьевые) а наружного (для ванн) применения. В соответствии с ГОСТ 13273—88 выделяются две большие группы питьевых вод — лечебно-столовые с минерализацией от 1 до 10 г/л и лечебные, применяемые по назначению врача, с минерализацией от 10 до 15 г/л. В отдельных случаях, в зависимости от химического состава допускается применение лечебных вод и более высокой минерализации (Баталинская — 21 г/л, Лугела — 52 г/л).
Вода и ее применение в современных технологиях
... рона (рис.2). Плотность. Несмотря на то что вода — вещество, принятое в качестве эталона меры плотности, ... то, что без воздуха жизнь возможна (анаэробы), а без воды ... воде — зеркало ученого-естествоиспытателя. Чем серьезнее он к ней относится, тем выше как ученый стоит в ряду своих коллег. Автор обращает также внимание на ...
Очень часто минеральные лечебные воды являются термальными и содержат несколько биологически активных компонентов, т.е. поликомпонентны. Примером является азотная термальная минеральная вода Ходжа-Обигарм в Гиссарском хребте Тянь-Шаня: минерализация 0,4—0,5 г/л; общий химический тип —НСО3-С1-Nа; рН 8,9—9,2; Т 97°С;
- Rn 27—216 Бк;
- Н2SiО3 120—160 мг/л;
- F 18,7—27,1 мг/л;
- Н2S (общ) 5,3 мг/л;
- НS-5,2 мг/л;
- СО2 0,05% (пар);
- О2 19,6%;
- N2 79—99% (пар);
- в воде содержатся Mn, Ni, Ag, Pt, Fe, Al, Ti, Cu, Mo, Cr, Cd, Li. Ga, Ge, Ba, K.
1.2 ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ТИПЫ МИНЕРАЛЬНЫХ ВОД
Ниже приведена краткая характеристика минеральных вод в соответствии с классификацией А. М. Овчинникова, учитывающей геохимические условия их формирования.
1.2.1 Минеральные воды, обогащенные органическим веществом
Эти воды, обычно относимые к типу «Нафтуся» (курорт Трускавец в Львовской области), обладают уникальным бальнеологическим воздействием на организм человека при внутреннем их употреблений. Это воздействие объясняется не только повышенным содержанием, но и специфическим составом растворенных органических веществ. Ниже приводится характеристика органического вещества минеральной воды типа «Нафтуся», полученная в результате обобщения многочисленных данных (по В. М. Швецу и В. К . Кирюхину):
Сорг. 50-121 мг/л
ОРГАНИЧЕСКИЕ КИСЛОТЫ
жирные 0,02-0,08 мг-экв/л
низкомолекулярные 0,1-0,2 мг/л
нафтеновые нет
летучие 0,02-0,12 мг/экв-л
то же 0,6-39,6 мг/л
ФЕНОЛЫ: 0,006-0,380 мг/л
легколетучие 0,015-0,040 мг/л
труднолетучие 0,05-0,24 мг/л
УГЛЕВОДОРОДЫ 2,0-4,4 мг/л
БИТУМЫ 0,7-3,5 мг/л
нейтральные 0,1-0,4 мг/л
кислые 0,23-4,23 мг/л
Масла 3,4-43,0 мг/л
Эфирорастворимые вещества 1,5-10,4 мг/л
Гуминовые вещества 0,7-12,0 мг/л
Аминокислоты 1,0-4,5 мкг/л
Сложные эфиры 10-30 мг-экв/л
В минеральных водах района КМВ определено значительно меньше органических веществ (Сорг около 10 мг/л).
В них обнаружены нейтральные и кислые битумы, гумусовые кислоты, фенолы, ароматические углеводороды, жирные и нафтеновые кислоты.
Следует отметить, что практически все геохимические типы минеральных вод содержат то или иное количество различных органических веществ, но их бальнеологическое воздействие затушевывается другими компонентами солевого и газового состава минеральных вод. Ниже приведены; органические вещества, обнаруженные в минеральных водах, мг/л:
Гуминовые кислоты 0,2—284
Битумы 0,1—16,9
Жирные кислоты 0,01—39,6
Доклад: Очистка сточных вод
... очистные сооружения общего типа, а в случае попадания в сточные воды особо вредных химических веществ - очистные сооружения локального типа. В зависимости от степени очистки сточных вод на очистных сооружениях ... растворенные газы и молекулярно - растворимые органические вещества охлаждающие жидкости электролиты технические воды дождевые и талые воды с территории потенциальных загрязнителей Два первых ...
Нафтеновые кислоты 0,1—43
Аминокислоты до 4,5
Масла 3,4—43
Спирторастворимые вещества 0,2—23,5
Эфирорастворимые вещества 1,5—50
Сложные эфиры 1—3 моль/л
Количественное содержание органических веществ в подземных водах зависит от многих природных факторов и условий. Среди них следует отметить: содержание рассеянного органического вещества в горных породах, наличие нефтегазовых залежей, гидродинамические условия (активность водообмена), минерализацию, температуру и химический состав подземных вод, глубину их залегания, окислительно-восстановительную обстановку, микробиологическую активность. Для грунтовых вод, большое значение имеют физико-географические условия, количество и состав почвенного гумуса.
Органические вещества подземных вод являются весьма подвижными, активными и изменчивыми компонентами. Их содержание и состав зависят от многих, иногда разнонаправленных процессов, происходящих в подземной гидросфере. Большое значение среди этих процессов имеют биохимические превращения органических веществ. Например, в кислородной среде происходит аэробное разложение остатков наземной растительности — клетчатки, белков, углеводов. При этом низкая температура воды (+1-5°С) затормаживает деятельность микрофлоры, в результате чего грунтовые воды гумидных северных районов богаты малоразложившимся органическим веществом.
Биохимическое разложение растительных и животных продуктов может приводить к появлению в водах промежуточных органических соединений, таких как жирные кислоты. Так, экспериментальным путем показано, что из 3,3кг клетчатки может образоваться 2,2кг жирных кислот, 0,9г СО2 и 0,01г Н2. Биохимическое разложение белков и углеводов приводит к появлению в водах органических кислот, аминокислот, аминов, спиртов и др. Жирные кислоты образуются также путем биохимического окисления углеводородных компонентов нефти, рассеянного органического вещества пород и растворенного органического вещества подземных вод.
Химические ракции при нормальных и высоких температурах также существенно изменяют состав растворенного органического вещества. Наибольшее значение среди них имеет гидролиз. Так, гидролиз жиров приводит к образованию глицерина и жирных кислот, гидролиз клетчатки к образованию полисахаридов, а гидролиз сложных эфиров — к появлению фенолов, спиртов, органических кислот. Таким образом, закономерно, что органические кислоты в подземных водах чрезвычайно широко распространены, а количественное содержание некоторых из них (например, уксусной и муравьиной) достигает нескольких граммов в 1л.
Рассеянное органическое вещество пород играет важную роль в обогащении подземных вод растворенным органическим веществом. При этом основными процессами являются растворение, выщелачивание и диффузия. Активизации перехода органического вещества из пород в подземные воды способствуют повышенная температура (мягкий термолиз при 100—150 °С) и содержание в водах растворенных газов, в частности СО2. На участках скопления углеводородов в нефтегазоносных районах подземные воды максимально обогащаются растворенным органическим веществом в результате конвективного и диффузионного массопереноса.
1.2.2 Железосодержащие минеральные воды
Лечебное воздействие этих вод обусловлено повышенным содержанием в них железа. Обычные содержания железа в этом типе минеральных вод составляют 20—70 мг/л. Первый курорт, открытый в России Петром I, это Марциальные Воды, расположенный в районе Петрозаводска. Ниже приведен химический состав воды четырех источников, действующих в районе этого курорта:
|
Ионы |
Номер источника [Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/promyishlennaya-voda/ |
||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
||
|
Na++K+ |
5,2 |
16,5 |
5,3 |
8 |
|
|
Mg2+ |
13,3 |
26,5 |
30,2 |
33,7 |
|
|
Ca2+ |
26,2 |
45,4 |
38,8 |
60,4 |
|
|
Fe2+ |
5,8 |
23,4 |
61,3 |
97,6 |
|
|
Fe3+ |
1,8 |
2,3 |
1,9 |
2,3 |
|
|
Cl- |
0,4 |
1,1 |
1,4 |
0,7 |
|
|
SO42- |
66,7 |
192,7 |
235,5 |
242,3 |
|
|
HCO3- |
86,6 |
116,5 |
116,2 |
132,4 |
|
|
УA-K |
214 |
432 |
505 |
592 |
|
|
pH |
6,4 |
6 |
6 |
6,4 |
|
По содержанию железа минеральные воды делятся на три группы: слабожелезистые (с содержанием УFe от 20 до 40 мг/л), крепкие (с содержанием УFe от 40 до 100 мг/л) и очень крепкие (с содержанием УFe более 100 мг/л).
Минеральные железосодержащие воды используются в основном в качестве питьевых лечебно-столовых вод.
1.2.3 Мышьяксодержащие минеральные воды
В земной коре формируются два основных геохимических типа мышьяксодержащих минеральных вод: 1) углекислые воды областей позднечетвертичного и современного магматизма; 2) кислые воды районов сульфидных месторождений.
Наиболее распространены углекислые мышьяксодержащие воды, формирующиеся в гидрогеологических структурах альпийской зоны складчатости, характеризующейся проявлением позднечетвертичного и современного магматизма .
Углекислые мышьяксодержащие воды распространены в пределах Камчатки, Курильских островов, Сахалина, Большого и Малого Кавказа, Карпат. Содержание мышьяка в них изменяется от долей до 170 мг/л (ГОСТ (>0,7 г/л)).
Примером крепких мышьяксодержащих вод может служить Синегорская углекислая вода на о. Сахалин, имеющая следующий состав:
- СО2 2,5;
- АS 0,060;
- НВО22,0;
- Н2SiO3 0,052
M25T 9°C pH6.
Кроме мышьяка эти воды обычно содержат высокие (десятки и сотни миллиграммов на литр) концентрации хлора и бора. Геохимический облик мышьяксодержащих углекислых вод наиболее обоснованно связывают с термометаморфическими процессами, происходящими в зонах наложения мощных тепловых потоков на формирование подземных вод в осадочных мелкодисперсных породах, имеющих повышенные концентрации мышьяка. Распространение мышьяксодержащих углекислых вод тесно коррелирует с распространением низкотемпературной мышьяковой, сурьмяной и ртутной минерализации. Они часто приурочены к тем же тектоническим зонам, которые контролируют распространение такой рудной минерализации. Полагают, что мышьяксодержащие углекислые воды являются современными реликтами тех рудоносных гидротермальных растворов, которые формировали низкотемпературную рудную минерализацию. Углекислые воды имеют низкие положительные значения Eh, поэтому мышьяк находится в них преимущественно в виде мышьяковистой кислоты Н3АsО30.
Кислые мышьяксодержащие воды формируются в районах сульфидных месторождений. По своему происхождению это обычно грунтовые и грунтово-трещинные воды, формирующиеся в зонах окисляющейся сульфидной минерализации. Типичным примером являются кислые воды источника Зуби (Грузия), имеющие состав:
As 0,01 Fе 0,6 Al 0,1 М5,6pH2,2.
Кислые мышьяксодержащие воды широко распространены в районах сульфидных месторождений Урала, Большого и Малого Кавказа. Поскольку геохимический облик кислых мышьяксодержащих вод формируется в результате окисления сульфидных минералов, они имеют низкие (менее 3) значения рН, а также высокие концентрации железа, алюминия, цинка, меди и других элементов, присутствующих в минералах сульфидных месторождений. Кислые мышьяксодержащие воды имеют высокие (более 500—600 мВ) значения окислительно-восстановительного потенциала Eh, поэтому мышьяк находится в них преимущественно в виде мышьяковой кислоты Н3АSО40 и продуктов ее диссоциации Н2АsО4-.
1.2.4 Азотные термальные воды
Такие минеральные в оды формируются в разнообразных геологических структурах. В их газовом составе преобладает N2, а минерализация изменяется от сотен до 30 г/л. Обычно азотные термальные воды формируются в структурах областей новейшей активизации (тектонических зонах эпиплатформенного орогенеза), характеризующихся наличием разрывных дислокаций. Азотные термальные воды имеют различные геохимические особенности. Наиболее распространены азотные термальные воды бассейнов трещинно-жильных вод в массивах кристаллических пород. Они приурочены к областям молодых тектонических движений в пределах крупных массивов кристаллических пород, где атмосферные воды проникают по разломам на большую глубину и приобретают высокую (до 100°С и более) температуру. Такие воды широко распространены в зонах эпиплатформенного орогенеза Тянь-Шаня, Дальнего Востока. Примером может являться Горячинская минеральная вода в Забайкалье:
M0,8T54°C pH 9,3.
Характерными особенностями этого геохимического типа термальных вод являются относительно малая (менее 1,5 г/л) минерализация, значительные (до 100 мг/л и более) концентрации кремнекислоты, а также высокие содержания таких анионогенных элементов как F,W,Mo,Ge.
Газонасыщенность азотных вод невелика. Максимальные содержания суммарного азота в этих водах изменяются от миллиграммов на литр до 50 мг/л. Помимо азота, эти воды часто содержат в своем газовом составе высокие концентрации гелия (до 5*10-2 мл/л), инертных газов (Ar, Kr, Xe до 2%).
Иногда присутствуют 02 и СО. Еh азотных вод изменяется от +300 до —250 мВ.
Основной геохимический облик азотных термальных вод определяют следующие процессы — гидролитическое разложение силикатов по схеме: Na, К, Са- силикат +Н2О>каолинит+H3SiO4-+OH-+Na+,K+,Ca2+; растворение и выщелачивание пород, растворение СО2 с образованием НСО3-.
Исходя из геотермических условий конкретных структур, глубина формирования азотных термальных вод может достигать 3000 м и более, при этом величина He/Ar этих вод и палеогидрогеологический анализ развития геологических структур показывают достаточно длительное (n*106 лет) время существования термальных вод в этих структурах. тов.
Азотные термальные воды Забайкалья по содержанию дейтерия и кислорода-18, по данным И. С. Ломоносова, близки к поверхностным водам этого региона. Это свидетельствует о том, что азотные термальные воды являются инфильтрационными образованиями. Судя по величине Ar/N2•100, а также изотопному составу (40Аr/36Аr, 36Аr/38Аr, 38Аr/40Аr), в газовом составе азотных терм преобладают N2 и Аr воздушного происхождения.
Азотные термальные минеральные воды, как правило, поликомпонентны, так как содержат ряд специфических биологически активных компонентов (Н2SiО3, Rn, F, Н2S и др.).
На основе этих вод действует большое число курортов (Кульдур в Хабаровском крае, Белокуриха на Алтае).
1.2.5 Метановые воды
Это широко распространенный геохимический тип минеральных вод, залегающих, как правило, в осадочных битуминозных или нефтегазоносных отложениях. Эти воды имеют различную минерализацию и сложный химический и газовый состав. В случае присутствия в геологических структурах галогенных формаций в них формируются минерализованные воды С1- Nа-Са состава. В газовом составе, помимо СН4 (и других углеводородов), присутствуют азот, сероводород и другие газы. Вследствие низкой растворимости метана в воде при атмосферном давлении, большая его часть при выходе (или выводе) воды на земную поверхность выделяется в виде спонтанного газа и в воде при давлении 0,1 МПа и Т 37°С остается всего 17—24 мг/л растворенного СН4.
Примером бальнеологического использования метановых вод является курорт Нальчик, вода которого имеет следующий состав:
M18 T80°C pH 7,3.
1.2.6 Сероводородные (сульфидные) воды
Сероводородные воды широко используются в бальнеологии’ при содержании Н2 Sобщ более 10 мг/л. Наибольшее лечебное значение имеет свободный (молекулярный) Н3S, проникающий через кожу человека.
Основными состояниями серы в подземных водах являются SО42-, Н2S, НS-, менее распространены НSO4-, S2-, S2О32-, SОз2-. Тем не менее, в водах глубоких горизонтов, которыми чаще всего являются сероводородные воды, эти состояния серы могут быть в достаточно высоких концентрациях.
Н2Sобщ обычно определяется в воде при титровании йодом и включает Н2Sмолек, НS-, S2О32-, SО32- и S22-.
Общее содержание Н2S в водах наиболее известных курортов:
|
Краснокамск(Пермская обл.) |
540 |
|
|
Сочи(Мацеста) |
439 |
|
|
Горячий Ключ(Краснодарский край |
170 |
|
|
Сергиевские Мин.Воды(Самарская обл.) |
80 |
|
|
Хилово(Псковская обл.) |
18 |
|
Следует также учитывать, что с увеличением температуры подземных вод растворимость Н2S уменьшается: 20°С — 2,5 г/л, 60 °С — 1,2 г/л и 100 °С — 0,8 г/л.
Важнейшим процессом, определяющим образование Н2S в минеральных водах является восстановление SО42->S2-.
1.2.7 Углекислые воды
Содержание растворенного СО2 в углекислых водах изменяется в широких пределах, оно обычно составляет 1—3 г/л, но в глубоких горизонтах крупных месторождений углекислых вод может достигать 40 г/л. Соотношение между растворенной и свободной СО2, выделяющейся при выходе углекислых вод на поверхность, колеблется в пределах 1—4. Газовый фактор (соотношение между объемами газа и воды в 1 л) в углекислых водах обычно составляет 4—5, но может достигать 20.
Растворимость СО2 в водах увеличивается с ростом давления. Так, если в обычных условиях поверхности при 20°С растворимость СО2 приблизительно составляет 1,7 г/л, то при давлении 5 МПа оно возрастает до 60 г/л. Эта цифра принципиально соответствует тем максимальным содержаниям СO2, которые известны в настоящее время в подземных водах. Растворимость углекислоты в подземных водах уменьшается с ростом их температуры. При этом воды разного химического состава способны растворять различные количества углекислоты. В этом отношении существует следующий ряд: Н2О>NaС1> >СаС12.
Ниже приводится отношение растворимости газов в 1 М растворе NaС1 к растворимости в воде при 70 °С (по А. Эллису):
|
СН4 |
H2 |
N2 |
CO2 |
|
|
0,79 |
0,86 |
0,78 |
0,82 |
|
Кроме углекислого газа эти воды обычно содержат комплекс других газов, который зависит от геолого-исторических особенностей структур и литолого-геохимических особенностей слагающих их пород. Так, для структур, сложенных осадочными породами, характерно сонахождение СО2 с Н2S, СН4, а также с более сложными углеводородами (С2Н4, С3Н8); для районов современного магматизма корового типа — парагенезис СО2, Н2S, SО2,SO3, N2, Не, NН3, НСl, НF, СН4 (и более сложные углеводороды).
В зависимости от парагенетических ассоциаций газов среди углекислых вод выделяют собственно углекислые, азотно-углекислые, сероводородно-углекислые, водородно-угле-кислые, метано-углекислые, и т. д,
Для углекислых вод характерна значительная гамма органических веществ, включающих гуминовые и нафтеновые кислоты, фульвокислоты, фенолы, масла, нейтральные и кислые смолы, нефтяные углеводороды, при сумме Cорг до 40 мг/л. Максимальная величина минерализации таких вод может достигать 320 г/л, а температура ?300°C.
Основными процессами формирования химического состава углекислых вод являются: растворение и выщелачивание водовмещающих пород, ионный обмен, взаимодействия с седиментационными и современными водами, окисление и восстановление элементов с переменной валентностью.
Важной особенностью углекислых вод является наличие в отдельных их геохимических типах высоких концентраций лития, рубидия, цезия, бора, мышьяка, сурьмы, германия, ртути, фтора.
Детальные исследования показали, что распределение Li, Rb, Cs, В, Аs, Sb, Gе в углекислых водах контролируется литолого-геохимическими особенностями водовмещающих пород
1.2.8 Радоновые воды
Радоновые воды в соответствии с инструкцией подразделяются на: очень слабо радоновые (185— 750 Бк), слаборадоновые (750—1500 Бк), радоновые средней концентрации (1500—7500 Бк) и высокорадоновые (более 7500 Бк).
Воды с концентрацией радона от 37 до 185 Бк применяются как лечебные только при условии организации процедур в проточных бассейнах. Для питьевого лечения применяются высокорадоновые воды.
Радоновые воды обычно развиты в зонах разломов кристаллических и метаморфических пород древних платформ (Восточно-Европейской, Сибирской), молодых (Кавказ) и древних (Урал, Казахстан) складчатых поясов. Их образование связано с радиоактивным распадом и эманированием пород, обогащенных радиоактивными элементами. Связь радоновых вод с породами, обогащенными органическим веществом, обусловлена свойствами органических веществ сорбировать радиоактивные элементы.
Радоновые воды, могут иметь высокую температуру; они, как правило, маломинерализованные (менее 1 г/л), щелочные (рН до 9), азотные (по преобладанию N2), SO4-HCO3-Ca и SO4-Cl-Na состава.
1.3 ОСОБЕННОСТИ ГЕОХИМИИ ТЕРМАЛЬНЫХ ВОД
1.3.1 Классификация термальных вод
Обычно под термальными водами понимают воды с температурой более 20 °С. Существует несколько классификаций подземных вод по температуре. Наиболее полной из них является классификация Н. И. Толстихина (1970 г.):
1)отрицательнотемпературные воды — криопэги (0- -36 °С);
2)положительнотемпературные воды — пэги (до 20 °С) и термы — теплые и горячие (0 -+ 100 °С) ;
- сверхгорячие (перегретые) воды — супертермы ( + 100-+700)
- горячие пары (газ и пар) — вапортермы (>700°С).
По использованию выделяют следующие группы термальных вод:
с температурой <70°С — для горячего водоснабжения (парники, теплицы, фермы);
- с температурой от 70 до 100 °С — для отопления, горячего водоснабжения, выработки электроэнергии;
- с температурой >100°С — для выработки электроэнергии и теплоснабжения.
Особенно сложен состав гидротерм областей новейшего и современного вулканизма. Примером могут служить термы Курильской вулканической области. В воде вулкана Менделеева (о-в Кунашир) содержатся, мг/л; А13+ 151,5, Fе3+ 89,3, Н+ 6,2, Н2SiO3 217,3;
M 2,2 T 83°C pH2,3
В вулканических районах выделение паров и газов достигает иногда грандиозных размеров. Так, в долине «Десять тысяч дымов» на Аляске дебит газопаровых выделений достигает 23 млн. л/с при 600 °С. Подсчитано, что из них в течение года выделяется в воздух 1,25 млн. т НСl и 0,2 млн. т НF. Из Юрьевского источника на вулкане Эбеко (о-в Парамушир), в воде которого содержатся 205 мг/л Ре и 435 мг/л Аl, в Охотском море, куда впадает ручей из источника, за 1 сут выпадает 35 т железа и более 65 т алюминия.
Существует несколько классификаций термальных вод по их газовому и химическому составу. Наиболее распространена классификация В. В. Иванова (1976 г.), учитывающая условия формирования гидротерм, классификация В. И. Кононова (1983 г.), дополняющая классификацию В. В. Иванова с учетом последних данных, в том числе обработки огромного фактического материала по гидротермальным системам мира. Геохимические типы термальных вод по данным В. И. Кононова.
Сероводородно-углекислые гидротермы (парогидротермы) . Температура парогазовых струй в кратерах активных вулканов достигает 700 °С, минерализация — 35 г/кг, состав SО4, Cl-SО4, реже Сl; рН низкий. В катионном составе преобладают Fе, Аl, Н, NH4. В этом типе гидротерм отмечаются и уникальные воды с рН 0,2—0,5 и M>500 г/кг, Сl-Nа состава (Данакильская впадинка).
Углекисло-водородныепарогидротермы. В них присутствуют: СО2, Н2S, S2 и другие. Это маломинерализованные (<1 г/л), слабощелочные воды с повышенным содержанием SiO2 и преобладанием SО4, НСО3 и Na.
Углекислые парогидротермы имеют температуру от 180 до 350°С и минерализацию обычно ниже 1 г/л; НСО3 или SО4-НСОз состав, Воды, они имеют Сl-Na состав и минерализацию до 5 г/л. Там, где развиты эвапоритовые толщи (Солтон-Си в Калифорнии) минерализация высокотермальных углекислых вод достигает 305 г/кг.
Уникальные рассолы сульфатного калиево-натриевого состава встречены в кальдере Бачано в 15 км севернее г. Рима. Их минерализация достигает 356 г/кг, а температура на глубине 1400 м составляет 210 °С.
Чаще всего встречаются субнейтральные (рН 6—8), гидрокарбонатные натриевые углекислые термы с минерализацией ниже 5 г/л: Реже известны сульфатные и хлоридные термы. Для многих углекислых терм смешанного состава характерно присутствие Н2S.
Азотноуглекислые парогидротермы и гидротермы. В основном щелочные воды с Еh от 0 до 250 мВ. Парогидротермы с температурой 180—200°С формируются в зонах глубоких тектонических нарушений, имеют НСО3-Na или SО4-Nа состав с М до 1,5 г/л и рН~9. В районах современного вулканизма островных дуг они имеют преимущественно Cl-Nа состав с М 1—6 г/л. Азотно-углекислые гидротермы с температурой на выходе от 30 до 100 °С имеют небольшую (<3 г/л) минерализацию.
Азотные термы, также в основном щелочные (рН 8—10), на глубине ~2 км имеют температуру до 150 °С, а на выходе—обычно ниже точки кипения. По химическому составу — пестрые (НСО3, SО4 или Сl).
Метановые и азотнометановые термальные воды.
Их распространение подчиняется общей гидрогеохимической и газовой зональности: в периферических и верхних частях артезианских бассейнов термальные воды, как правило, пресные или солоноватые (до 10 г/л), азотные (иногда с примесью СО2 и Н2S), SО4-НСО3-Nа и НСО3-Nа состава. В глубоких частях артезианских бассейнов встречаются N2-СН4 и СН4 воды Сl-На и Сl-Nа-Са типа с повышенным содержанием I, Вг и других ценных микрокомпонентов. Температура этих вод на глубине их залегания изменяется от менее 50 до более 200 °С, рН=5-9, Еh = от —250 до 0 мВ.
1.3.2 Условия формирования терм
Основные запасы термальных вод в современных гидротермальных системах формируются в результате инфильтрации вглубь атмосферных осадков или сохранения в недрах вод морского генезиса. По данным изотопного состава кислорода, водорода и серы, большая часть гидротерм районов молодого и современного вулканизма имеет инфильтрационное происхождение, на долю магматического флюида (ювенильных вод) приходится лишь несколько процентов.
Процессы формирования состава термальных вод имеют некоторые особенности, связанные с температурным фактором. Одна из них заключается в фазовых переходах подземных вод, происходящих обычно в приповерхностных зонах разгрузки гидротерм.
Некоторые геохимические типы термальных вод обладают повышенной агрессивностью и способностью к солеотложению, другие содержат в больших концентрациях рудные и редкие элементы, некоторые из которых являются биологически активными компонентами минеральных термальных вод. Сложный компонентный и газовый состав термальных вод осложняет их непосредственное использование на ГеоТЭС, в системах тепло- и водоснабжения, в промышленности и сельском хозяйстве. В этих случаях применяются теплообменники, в которых термальные воды отдают свое тепло обычным пресным водам.
1.3.3 Провинции минеральных и термальных вод
Понятие о провинциях минеральных вод было введено Н.И.Толстихиным в 1938 г., выделившим три провинции минеральных вод:
1) щелочно-земельных гидрокарбонатных вод, газирующих углекислым газом, приуроченных к альпийской складчатой зоне;
2) натриевых термальных вод, газирующих азотом или метаном
3) вод высокой минерализации, слабогазирующих азотом или метаном. Вторая провинция характеризует воды, поднимающиеся из недр по глубоким водоносным трещинам, а третья — воды осадочного комплекса платформ. В последующие годы, по мере накопления и обобщения знаний о минеральных и термальных водах, вопросы гидрогеологического районирования получили свое дальнейшее развитие.
2. ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОБЛЕМЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ ВОД
Промышленными называют природные воды (подземные и поверхностные), содержащие такие концентрации элементов, которые обеспечивают в конкретных гидрогеологических условиях на данном уровне развития технологии экономически целесообразную их добычу и переработку.
Понятие промышленные воды неотделимо от понятий «месторождение промышленных вод» и «кондиционные содержания».
Месторождение промышленных вод — это ограниченная часть геологической структуры, в пределах которой рациональным в технико-экономическом отношении водозабором в течение расчетного срока эксплуатации можно полностью отработать заключенные внутри нее геологические запасы этих вод.
Кондиционные содержания элементов — это такие содержания элементов в подземных водах, которые в данных гидрогеологических ситуациях обеспечивают экономически рентабельную эксплуатацию месторождения промышленных вод. Важно знать, что не может быть постоянных и повсеместных кондиционных требований к промышленным водам. Эти требования изменяются в зависимости от гидрогеологических и геолого-экономических условий района, химического состава и эксплуатационных запасов подземных вод, возможностей технологического извлечения из них отдельных компонентов или их различных сочетаний. При этом большое значение для определения кондиций на конкретные промышленные воды имеет степень комплексного использования этих вод.
При извлечении из вод только одного компонента минимальные концентрации брома должны составлять 250 мг/л; йода — 18 мг/л. При совместном извлечении этих компонентов их минимальные концентрации уменьшаются соответственно до 200 и 10 мг/л. Нижний уровень концентраций редких элементов в водах, представляющих интерес как потенциально промышленные, в мг/л: для Li 10—20, для Rb 3—5, для Cs 1, для Sr 300—500, для B 200.
Концентрации могут лишь указывать на потенциальную возможность использования этих вод в качестве промышленных, непосредственное же отнесение подземных вод к промышленным производится по совокупности признаков, решающее значение среди которых имеют: эксплуатационные запасы подземных вод; технологические возможности как в отношении извлечения отдельных элементов из вод, так и их комплексного использования; условия эксплуатации водозаборов (глубина скважин и динамических уровней подземных вод) и сброса отработанных вод; факторы технико-экономического и общеэкономического порядка (пути сообщения и пр.).
При использовании йодо-бромных вод было установлено, что при глубине скважин 1—2 км и положении динамического уровня 300—800 м ниже поверхности дебит отдельных скважин должен быть 300—1000 м3/сут.
2.1 ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СПОСОБНОСТИ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ К НАКОПЛЕНИЮ В ПОДЗЕМНЫХ ВОДАХ
Элементы должны обладать свойством накапливаться в подземных водах до таких концентраций, которое геохимически и технологически были бы конкурентоспособны с их концентрациями в твердом сырье.
Наибольшей способностью накапливаться в природных водах обладают катионо- и анионогенные элементы, имеющие крайние значения электроотрицательности и ионного потенциала (600<Э0> 1100 кДж/моль; 2<z/ri->9).
Накопление катионогенных элементов в подземных водах объясняется тем, что они, образуют наиболее растворимые соединения с их главными анионами при этом обычно выдерживается ряд растворимости Сl->SО42->НСО3-(СО32-); а накопление анионогенных — тем, что они образуют наиболее растворимые соединения с их главными катионами (Nа+, Са2+, Мg2+).
Способность конкретных элементов к накоплению в подземных водах может быть оценена с помощью коэффициента концентрации, который в соответствии с положениями В. И. Вернадского и А. Е. Ферсмана, представляет отношение концентраций элемента в воде к их средним концентрациям в земной коре. Чем больше превышение концентраций элемента в подземных водах над его средними концентрациями в земной коре, тем больше гидрофильность элемента и тем большая вероятность его использования из промышленных вод.
Данные показывают следующий ряд уменьшения гидрофильности катионо- и анионогенных элементов: анионогенные (Вг>Сl>I>В>F>Аs, W, Mo,Ge); катионогенные (Sr>Li>Cs,Са, Мg>K>Rb).
2.2 ГЕОХИМИЯ ЭЛЕМЕНТОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ПРОМЫШЛЕННЫХ ВОДАХ
2. 2.1 Литий, рубидий, цезий
Это типичные катионогенные элементы. Степень их катионогенности увеличивается в соответствии с уменьшением электроотрицательности элементов (в кДж/моль):
- Li523<
- Na495<
- K419<
- Rb406<Cs377
Содержание щелочных элементов в океанической воде составляет, мг/л: Li 0,15—0,2; Nа 10354—10500; К 380—387,5; Rb 0,12—0,2; Cs 0,0005, а величины Na/К 27; К/Rb 1900, В океане, по данным Т. Ф. Бойко, содержится Li 1,0%, Rb 0,17% и Сs 0,08% от того их количества, которое находится в выветривающихся средних изверженных породах.
2. 2.2 Бром
Бром — типичный анионогенный элемент, характеризующийся очень высокой растворимостью его соединений с основными катионами химического состава подземных вод .
Основным концентратором брома в земной коре являются высокоминерализованные подземные воды и хлоридные соли галогенных формаций; при этом основные запасы богатых бромом рассолов связаны с древними солеродными бассейнами. Геохимическая история накопления брома в подземных рассолах связана с историей морских и океанических вод и процессами галогенеза. Среднее содержание брома в океанической воде составляет приблизительно 65 мг/л при величине Cl/Br, равной 293—300. В зависимости от геологической истории морских бассейнов содержания брома в их водах могут изменяться. Минимальные содержания брома установлены в водах морских бассейнов, потерявших связь с океаном, в формировании которых существенное значение имеет континентальный сток (Каспийское, Аральское моря).
В них водах содержание брома уменьшается до 2 мг/л, а величина Cl/Br возрастает до 2000.
Бром связывается элементами-комплексообразователя (Zn, Cu и др.) в комплексные соединения только в маломинерализованных (<1—5г/л) водах, в которых концентрации элементов-комплексообразователей соизмеримы с концентрациями брома. Соединения брома с катионами природных вод хорошо растворимы, поэтому при испарительном концентрировании морских вод бром не образует собственных минералов, он накапливается в этих водах лишь частично изоморфно осаждается с хлоридами, поскольку: riCl-1,8*10-8 см, riBr-1,96*10-8 см.
2. 2.3 Йод
Йод — анионогенный элеме нт с ярко выраженными биофильными свойствами. Соединения йода с главными катионами химического состава подземных вод, также как и соединения брома, хорошо растворимы, поэтому йод может концентрироваться в подземных водах до очень высоких содержаний.
Высокие содержания йода известны и в наиболее метаморфизованных рассолах Сl-Са-Nа типа с минерализацией более 400 г/л. Соответственно разнообразен и химический состав подземных вод с высокими содержаниями йода. Это не только Cl-Nа-Са и С1-Са-Nа метаморфизованные рассолы, но и относительно мало минерализованные (М менее 35 г/л) С1-Nа воды с высокими содержаниями НСО3- и щелочной реакцией. Такие воды с высокими содержаниями йода широко распространены в нефтегазоносных структурах альпийской зоны складчатости.
Формы йода в подземных водах разнообразны: молекулярная I2, ионная в виде йодида I- и йодата IO3- и комплексная с органическим веществом I…С. Молекулярная и ионная формы нахождения йода в воде зависят от рН: I2 -I-+ IO3-
Высокие концентрации йода определяются скорее не условиями формирования определенных геохимических типов подземных вод, а общими геохимическими условиями формирования этих вод.
Иод не может накапливаться в результате ювенильных эндогенных процессов, так как он практически отсутствует в водах вулканических областей. Вся вулканическая деятельность Земли дает всего 1,2 тыс. т. йода в год.
Источниками высоких содержаний йодных вод могут быть лишь осадочные породы (в основном, глинистые), обогащенные органическим веществом, так как по А. П. Виноградову, количество йода накапливающегося в морских илах пропорционально содержанию органического вещества и количеству мелкой фракции (<0,01 мм) ила.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
минеральный термальный промышленный вода
В данном реферате были рассмотрены типы промышленных вод, их применение и способы использования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/promyishlennaya-voda/
Крайнов С.Р., Швец В.М. Гидрогеохимия: Учеб. для вузов.-М.:Недра, 1992.-463 с.(МГРИ).
ПРИЛОЖЕНИЕ
|
Минеральные воды |
Формула химического состава |
Специфические компоненты |
|
Углекислые воды:1) Кисловодский нарзан |
CO2=1,9 г/л |
||
|
2) Ессентуки-17 |
CO2=2,3 г/л |
||
|
Сероводородные воды курорта Сочи-Мацеста |
H2S=419 мг/л |
||
|
Радоновые воды курорта Цхалтубо |
Rn=13,5-20,3 Бк/л |
||
|
Железосодержащие воды курорта «Марциальные воды» скв. 2 |
Fe=36 мг/л |
||
|
Мышьяксодержащие воды курорта Зуби |
H3AsO4=13 мг/л |
||
|
Йодные воды курорта Нальчик |
HBO3=146 мг/л Br=44 мг/л F=5мг/л |
||
