Формирование химического состава подземных вод: Минеральные воды

     Количество СО₂ , выделяющейся при термометаморфизме мергелей, достигает 8.8% от массы исходной породы, при метаморфизации  карбонатных глин – 6.82% и т.д., при этом теоретически возможное количество выделяющейся СО₂  может достигать 15%. Это означает, что региональный термометаморфизм является мощным процессом, поставляющим углекислоту в верхние зоны земной коры[5, C. 119].

    В условиях так называемого «сухого метаморфизма» карбонатсодержащих пород, образование СО₂  происходит при температуре 650-700⁰ С, которая в присутствии водных растворов уменьшается вследствие гидролитического разложения этих пород по принципиальной схеме: СаСО₃ + Н₂О _→ Са(ОН)⁺+ (ОН)^- + СО₂ . В этом случае углекислота образуется уже при температуре 75-125⁰С. Так, в районах современного и недавнего метаморфизма температура в 100-120⁰С может быть достигнута уже на глубине нескольких сотен метров. В молодых краевых прогибах (например, в Предкавказском) температуры 100 – 150 ⁰С известны на глубине 1.5-3 км.

10 20 30 40 50 мин.

Рис. 1. График дебита интермиттирующего источника[3,C.  

   Однако среди углекислых вод встречаются воды и повышенной минерализации, например, гидрокарбонатно-хлоридно-натриевые (по типу соляно-щелочных вод Ессентуков) и хлоридно-натриевые соленые воды (например, Арзни в Армении, Наугейм в Западной Германии и др.). Общая минерализация вод последнего типа достигает 30 г/л.

Динамика и режим этих вод приобретают специфические особенности у поверхности земли, где появляется газовая фаза. Ниже определенной глубины (10—30 м), которая называется «глубиной предельного давления», пузырьки свободно выделяющегося газа отсутствуют. Движение воды в газирующих источниках происходит не в результате давления газа, а под влиянием гидростатического напора и снижения удельного веса столба жидкости у выхода воды на дневную поверхность (явление эрлифта).

    Дебит свободно выделяющейся углекислоты обычно больше дебита вод в том же источнике в 1,5—3 раза. Неравномерность выделения газа, характер водовыводящих каналов и подмешивание пресных грунтовых вод вызывают явление перемежающегося режима, или интермиттенции (рис. 1). Газовый фактор заставляет с особой осторожностью и тщательностью изучать режим и давать оценку дебита углекислых вод. Интенсивно самоизливающийся углекислый источник (скважина) может постепенно уменьшать свой расход, и для регулирования его режима требуются специальные мероприятия. 
 
 
 
 
 
 
 
 

3.2. Сероводородные воды 

  Сероводородные, или сульфидные, воды. Сероводород чрезвычайно широко распространен в природе. Воды, содержащие сероводород, имеют большое значение в современной бальнеологии. Этот тип приурочен к осадочным отложениям и находится в парагенетических соотношениях с нефтью, жидкими и твердыми битумами, а также углеводородными газами.

     По существующим нормам, для того, чтобы вода могла называться минеральной, достаточно присутствия в ней 1 мг/л сероводорода. Однако в последние годы специфическими сульфидными водами стали считаться воды с содержанием общего титруемого иодом сероводорода более 10 мг/л. Соотношение между отдельными компонентами зависит от сульфидно-карбонатного равновесия и связано со степенью диссоциации ионов, в свою очередь определяемой концентрацией водородных ионов рН. Для сероводородных вод характерно 5 < рН < 6,5, для сероводородно-гидросульфидных 6,5<рН< < 7,5, для гидросульфидных 7,5<рН<9. Наибольшее лечебное значение имеет свободный H₂S, проникающий через кожу человека.

     Наиболее богатые сероводородом воды, так называемые крепкие сероводородные воды, с содержанием общего сероводорода более 150 мг/л, по химическому типу являются хлоридно-натриевыми или хлоридными кальциево-натриевыми и обычно содержат повышенные количества иода, брома, аммония и борной кислоты. Они развиты преимущественно в районах нефтяных месторождений и местами обрамляют нефтяные залежи. По мере эксплуатации залежи сероводородные воды начинают поступать в скважины вместо нефти.

  На сероводородных водах высокой концентрации (мацестинского типа) создались известные курорты: Сочи— Мацеста и Талги на Кавказе, Усть-Качка у Краснокамска (Приуралье), Чимион в Фергане и др. По происхождению высококонцентрированные сероводородные воды обычно относятся к древним метаморфизованным водам морского генезиса.

  Хлоридно-сульфатные или более сложные по составу воды обычно содержат меньше сероводорода и относятся к водам средней концентрации (содержание общего сероводорода 70— 150 мг/л). Они встречаются обычно по окраинам альпийской складчатой зоны.

  Еще меньше сероводорода, как правило, содержат холодные сульфатно-кальциевые воды платформенных областей, связанные с выщелачиванием гипса и восстановлением сульфатов в торфянистых или илистых отложениях. К числу этих вод относятся воды курортов Кемери на Рижском взморье и Краинка в Тульской области. Но некоторые месторождения этих вод, связанные с коренными породами, содержат сероводород в значительно большем количестве (Немиров, Любень Великий и др.). В Заволжье на таких водах создан известный курорт Сергиевские Минеральные Воды.

  Особой разновидностью этих вод являются воды, которые В. И. Вернадский назвал водами «пиренейского» типа. Они отличаются малой минерализацией, высокой щелочностью (рН>8), высокой температурой и содержат преимущественно связанный сероводород в виде гидросульфидного иона          . Обычно воды этого типа приурочены к трещинам изверженных или туфогенных пород. По химическому типу они являются гидрокарбонатно-хлоридно-натриевыми, с относительно повышенным содержанием кремневой кислоты и некоторых микроэлементов. На Кавказе к этим водам относятся воды курорта Горячий Ключ около Краснодара, Кумогорск в районе кавказских Минеральных Вод, Тбилисские термы и др. В Пиренеях наибольшую известность имеют курорты Баньер-де-Люшон, Бареж, Котере и др.

    Общее содержание H₂S в водах наиболее известных курортов сероводородных вод следующее          :

                                    H₂S, мг/л

Талги (Дагестан)    560

Краснокамск (Пермская область)  540

Сочи(Мацеста)    439

Горячий ключ(Краснодарский край)  170

Сергиевские Минеральные воды  80

Кемери (Прибалтика)   30

Хилово (Псковская обл.)   18

Арчман (Туркмения)   10 

Сероводородные воды известных курортов формируются, как правило, в нефтегазоносных провинциях, обычно при наличии в породах гипсов и ангидритов. 

       

3.3. Азотные воды

   Азотные термальные воды могут иметь температуру до 100⁰С и более. Они характеризуются следующими геохимическими особенностями:

1. В их газовом составе преобладает N₂
2. Минерализация может быть разнообразной, но, как правило, она имеет 1 г/л.
3. Химический состав изменяется от HCO₃- Na и SO₄- Na до Cl-Na.

    Характерной особенностью многих геохимических типов азотных термальных вод является наличие в них значительных концентраций кремнекислоты, а так же таких элементов, как фтор, вольфрам, молибден, германий, селен, рений и другие. Азотные термальные воды формируются в областях новейшей тектонической активации, характеризующихся наличием крупных разрывных дислокаций и погружением отдельных блоков.

     Площади распространения азотных термальных вод объединяются в специальную провинцию минеральных вод, которая охватывает структуры альпийской системы, рифейские, каледонские, герцинские, киммерийские и ларамийские  структуры. Такие структуры характеризуются глубокими зонами дробления, способствующие проникновению инфильтрационных подземных вод в высокотемпературный горизонт земной коры         . Как геологический феномен, азотные термальные воды представляются явлением более поздним по сравнению с углекислыми водами. Выходы азотных термальных вод тяготеют к крупным региональным тектоническим нарушениям глубокого заложения. Классическими примерами таких региональных термальных линий являются Мергельская, объединяющая термы южного склона Большого Кавказа, Копетдагская , Южно-Иссыккульская, Заилийская, Восточно-Байкальская и другие           .

   Провинции  азотных термальных вод имеет  следующие главные области распространения:  Большой и Малый Кавказ, Копет-Даг,  Тянь – Шань, Памир, Джунгарский  Алатау, Алтай, Саяны, Забайкалье, Приморье, Охотское побережье, Камчатка. Помимо перечисленных главных областей, слаботермальные воды, имеющие температуру от 15 до 20⁰С, известны в других регионах, например в пределах Украинского кристаллического массива, Молдавии и другие.

    Эта провинция является частью обширных глобальных поясов (Средиземноморского и Тихоокеанского). Первый из них протягивается от Пиренеев через Альпы, Балканы, Родопы в Монголию и Корею, где он соединяется с Тихоокеанским поясом азотных термальных вод, протягивающимся вдоль побережья Тихого океана.

     Известно, что азотные термальные воды в массивах кристаллических пород способны образовывать рудную минерализацию – осадки, обогащенные вольфрамом , фтором, а в отдельных случаях – флюорит как непосредственно, так и в результате метасоматического замещения карбоната кальция флюоритом.

 

3.4.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. Если в геологических структурах присутствуют галогены, то в них формируются минерализованные воды Cl-Na-Ca состава.

    В газовом составе, помимо CH₄ и других углеводородов, присутствуют азот, сероводород и другие газы. Следует иметь ввиду, что в следствии низкой растворимости метана в воде при атмосферном давлении его большая часть при выходе воды на земную поверхность выделяется в виде спонтанного газа,  в воде при давлении 0,1 МПа и Т 37⁰С остается всего 17-24 мг/л растворенного СН₄.

     Примером бальнеологического использования метановых вод является курорт Нальчик.

 

3.5 Железосодержащие воды 

    По содержанию железа минеральные воды делятся на три группы: слабожелезистые ( с содержанием железа от 20 до 40 мг/л), крепкие (с содержанием железа от 40 до 100 мг/л) и очень крепкие (с содержанием железа более 100 мг/л). Минеральные железосодержащие воды используются в основном в качестве питьевых лечебно-столовых вод.

  Месторождения  железосодержащих вод представлены следующими основными типами:

1. Азотные слабоминерализованные, сульфатные кислые, связанные с окислением сульфидов железа (Мерциальные воды в Карелии), Джусалинские воды в Казахстане)
2. Азотные слабоминерализованные воды сложного ионного состава.
3. Углекислые, преимущественно гидрокарбонатные воды, формирующиеся при углекислотном выщелачивании пород.

      Лечебное воздействие  этих вод обусловлено повышенным содержанием в них железа. Первый курорт, открытый в России Петром I,  Марциальные воды в районе города Петрозаводск. Ниже приведен  химический состав воды четырех источников, действующих в районе этого курорта (в мг/л)           : 

Номер источника

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

SO^2-₄                                                               66,7    192,7  235,5   242,3

HCO₃^-                                                 86,6     116,5  116,2   132,4 
 

   Как видно, это пресные многокомпонентные воды SO₄-HCO₃-Ca-Mg типа.

  

 

6. Мышьяксодержащие  воды

 

      В земной коре формируются два основных геохимических типа мышьякосодержащих минеральных вод:

1. Углекислые воды позднечетвертичного и современного магматизма
2. Кислые воды районов сульфидных месторождений

     В России и странах СНГ выявлено около 40 месторождений мышьяксодержащих вод, удовлетворяющих ГОСТ, а именно содержание Аs больше 0,7 мг/л. Наиболее распространены углекислые мышьяксодержащие воды в гидрогеологических структурах альпийской зоны, характеризующейся проявлением позднечетвертичного и позднего магматизма.