Конспект лекций Минск, 2000 г. Рекомендуемая литература

Процессы формирования химического состава подземных вод.
Прежде, чем начать рассмотрение собственно геологических процессов формирования состава подземных вод, кратко коснёмся основных физических аспектов массопереноса в подземной гидросфере. Перенос вещества подземных вод осуществляется двумя путями: диффузией и конвекцией.
Диффузия — это перераспределение вещества в какой–либо среде, вызванное тепловым движением молекул. В подземной гидросфере диффузия приводит к выравниванию концентрации растворённого вещества. В зависимости от движущей силы различают бародиффузию, термодиффузию и концентрационную диффузию. При любом из названных видов диффузии перенос вещества происходит молекулярными потоками. Чисто диффузионные процессы свойственны покоящимся средам.
Сущность бародиффузии заключается в разделении вещества растворов по молекулярному весу, в результате чего происходит перемещение более тяжёлых молекул сверху вниз под влиянием градиента геогравитационного поля.
При термодиффузии движущей силой служит градиент температуры: частицы диффундируют в область менее высоких температур. В бассейнах подземных вод градиенты геогравитационного и геотермического полей незначительны, поэтому баро– и термодиффузия не оказывают заметного влияния на перенос вещества подземных вод. Тем более, что оба процесса направлены противоположно друг другу.
Гораздо шире пределы изменения градиентов концентрации, что заставляет считать одним из основных механизмов молекулярно–диффузионного переноса вещества в подземной гидросфере концентрационную диффузию. Перемещение вещества в растворе направлено в сторону понижения концентрации и приводит к однородному распределению вещества в системе.
Надо отметить, что в подземных водах, наряду с растворённым веществом, могут диффундировать и частицы самой воды. Такой вид диффузии называется самодиффузией. Процесс самодиффузии происходит в отсутствие градиентов концентрации.
Конвекция — это массоперенос в движущемся потоке. Если диффузия происходит в покоящихся средах, то необходимым условием конвекции является подвижность самой среды. Различается естественная и вынужденная конвекция.
В случае естественной конвекции перемещение вещества происходит под влиянием градиента температуры и вызванного им различия в плотности среды. Так, по механизму естественной конвекции в зонах тектонических разломов осуществляются нисходящее движение тяжёлых холодных вод и восходящий поток лёгких нагретых струй из глубоких горизонтов земной коры. Процесс естественной конвекции типичен для наземных водоёмов, в которых охлаждающиеся на поверхности массы воды в зимнее время погружаются на дно, В бассейнах подземных вод естественная конвекция затруднена наличием водоупорных горизонтов. Она здесь может играть существенную роль только в очень хорошо проницаемых однородно–пористых или трещинных системах. Поскольку такие системы в реальных условиях достаточно редки, естественная конвекция не может рассматриваться как региональный процесс массопереноса.
Решающее значение в массопереносе в подземной гидросфере имеет вынужденная конвекция, которая происходит под действием внешних сил и сводится к хорошо известному вам процессу фильтрации, движущей силой которого служит напорный градиент. Напомню, что напор может иметь гидростатическую природу (главным образом, при негоризонтальности уровней подземных вод в инфильтрационных системах) и геостатическую (отжим растворов из уплотняющихся отложений в элизионных системах). Массоперенос, вызванный фильтрацией, сочетает механическое и диффузионное перемещение вещества. Такой вид массопереноса называют либо конвективной диффузией, либо гидравлической дисперсией. Гидравлическая дисперсия наблюдается всюду, где имеются: 1) градиенты напора, обеспечивающие макроскопические потоки жидкости, и 2) градиен­ты концентрации растворённых веществ, благодаря которым возникают молекулярные потоки. Поэтому в бассейнах подземным вод, где есть фильтрация подземных вод и где в разрезе имеются различные по минерализации воды (а таким условиям отвечает большинство бассейнов), перенос вещества происходит, главным образом, по механизму гидравлической дисперсии. В глубоких зонах бассейнов, где фильтрация затруднена, на первый план выходит диффузионный массоперенос.
Итогом конвективной диффузии является смешение вод различного состава и разной минерализации, важный процесс формирования состава вод. Как показал А.Н. Огильви ещё в 1923 г., при смешении пресной и минерализованной вод получается серия промежуточных по составу вод. Состав получающихся вод описывается уравнениями прямой: у = ax + b, где х и у — содержания двух каких–либо составных частей в данном объёме воды, а и b — постоянные параметры, общие для всей группы вод, получаемых при смешении. Процесс смешения изменяет состав воды и может провоцировать как усиление растворения вмещающих пород, так и его ослабление вплоть до выпадения соединений из растворов. С этим процессом нередко связана вторичная известковистость, загипсованность и засолённость пород водоносного горизонта.
Обсудив физические основы массопереноса в подземных водах, обратимся непосредственно к процессам формирования состава подземных вод. Они могут быть подразделены на четыре группы: 1) процессы, переводящие вещество в раствор, 2) процессы, выводящие вещество из раствора, 3) процессы, сочетающие воспроизводство и поглощение растворённого вещества, 4) процессы добавления или удаления молекул растворителя.
Эти процессы вызывают метаморфизацию подземных вод, т.е. изменение их состава. Если состав воды изменяется от гидрокарбонатного к сульфатному, а затем к хлоридному, такая метаморфизация называется прямой. Изменение состава в обратном направлении называется обратной метаморфизацией.