7099

21

2)сульфатные воды (промежуточные между гидрокарбонатными и хлоридными водами, генетически связаны с различными осадочными породами);

3)хлоридные воды (высокоминерализованные воды океана, морей,

соленых озер, подземные воды солончаковых районов).

Каждый класс вод подразделяется по преобладающему катиону на три группы: кальциевую, натриевую, магниевую.

Каждая группа в свою очередь подразделяется на четыре типа вод по соотношению содержащихся в воде ионов (в эквивалентах):

I. HCO3-> Ca2+ + Mg2+. Воды этого типа маломинерализованы и характеризуются избытком ионов HCO3-, образуются в процессе химического выщелачивания изверженных пород.

II. HCO3- < Ca2+ + Mg2+< HCO3- + SO2-4. К этому типу относятся подземные воды, воды рек и озёр с малой и средней минерализацией.

III. HCO3- + SO2-4< Ca2+ + Mg2+ или Cl-> Na+. Воды этого типа сильно минерализованы, это воды океанов и морей. К этому типу относятся водыокеанов, морей , морских лиманов.

IV. HCO3-= 0. Характеризуется отсутствием гидрокарбонат-ионов. Воды этого типа являются кислыми и присутствуют только в хлоридном и сульфатном классах. Это болотные, шахтные, вулканические воды иливодысильно загрязненные промышленными стоками.

Обозначения. Класс природных вод обозначается символом соответствующего аниона: С — НСО3-, S — SO42-, Сl — Сl-;

группа: символом катиона: К+, Na+, Са2+, Мg2+;

тип - римской цифрой.

22

Рис. 2. Схема классификации природных вод по О.А. Алекину

Формула воды записывается следующим образом. К символу класса добавляется нижний индекс - значение минерализации (с точностью до 0,1 г/л ),

к символу группы - верхний индекс - значение общего катионного состава (с

точностью до целых единиц вещества в ммоль/л).

Например: С1,2Nа0,5 - гидрокарбонатно-натриевая вода с общей минерализацией 1,2 г/л и преобладающей концентрацией гидрокарбонатных ионов и ионов натрия.

Воды большинства рек принадлежат к гидрокарбонатному классу. По составу катионов эта вода имеет почти исключительно преобладание кальция;

гидрокарбонатные воды с преобладанием магния и натрия - крайне редкое явление. Из природных вод гидрокарбонатного класса наиболее распространены воды малой минерализации (суммарное содержание солей до

200 мг/л). Они приурочены к подзолистым почвам северных районов лесной зоны и к почвам тундр (включая зону многолетней мерзлоты), которые бедны растворенными солями и обогащают воду органическими веществами.

Значительно меньше рек с гидрокарбонатными водами средней минерализации.

Это реки средней полосы Европы. Еще меньшую площадь занимают реки с повышенной минерализацией, которые распространены в лесостепной и

23

степной зонах (междуречья Днестра, Южного Буга, Днепра, некоторые притоки Дона и Урала).

Реки с водой, относящейся к сульфатному классу, сравнительно малочисленны и встречаются в засушливых степях Донбасса, Приазовья,

Северного Кавказа, в полупустынях Средней Азии и Казахстана.

Минерализация их обычно превышает 1000 мг/л. В составе катионов природных вод сульфатного класса, так же как и в водах гидрокарбонатного класса, преобладает кальций. Однако ряд рек сульфатного класса имеет преобладание натрия. По минерализации воды сульфатного класса значительно превосходят воды гидрокарбонатного класса. Речные сульфатные воды с малой

(общее количество солей до 200 мг/л) и средней (общее количество солей с 200

до 500 мг/л) минерализацией встречаются сравнительно редко. Наиболее характерна для этих рек повышенная (общее количество солей с 500 до 1000

мг/л), а иногда и высокая (общее количество солей более 1000 мг/л)

минерализация воды.

Речные воды хлоридного класса встречаются почти так же редко, как и реки, в воде которых преобладают сульфаты. Это воды преимущественно степных районов и полупустынь (полупустыни Прикаспийской низменности,

Западно-Сибирской равнины и Казахстана). Преобладающими катионами природных вод хлоридного класса являются главным образом ионы натрия.

Воды хлоридного класса отличаются высокой минерализацией, свыше 1000

мг/л, достигающей в отдельных случаях 19000 мг/л (р. Тургай).

Практическая работа 2

Цель работы: охарактеризовать состав природных вод, используя представленные выше классификации.

Задание 1. Охарактеризуйте морскую воду в соответствии с классификацией, разработанной О. А. Алекиным.

24

Задание 2. К какому классу вод по минерализации следует отнести природные воды, состав которых соответствует среднему составу речной воды

(см. табл. 5)? При оценке принять:

а) другие примеси в воде отсутствуют;

б) плотность речной воды равна 1000 г/л;

в) при экспериментальном определении минерализации все гидрокарбонат-ионы перейдут в карбонат-ионы, а все остальные ионы образуют безводные соли, устойчивые при 105°С.

Задание 3. Используя формулу Курлова и данные таблицы 5, написать химический состав речной воды.

2.4. Интенсивность водной миграции

На поверхности Земли происходит непрерывная миграция веществ в системе континенты - океан, в водосборных бассейнах разного порядка из автономных ландшафтов в подчиненные. Одним из основных факторов,

влияющих на дифференциацию вещества в этих системах, является водная миграция химических, элементов и соединений, осуществляющаяся в виде разнообразных растворимых, коллоидных, взвешенных и других форм нахождения. Интенсивность этой миграции зависит от внешних биоклиматических, геолого-геоморфологических, геохимических условий и внутренних — свойств элементов, факторов миграции.

25

Таблица 9

Геохимическая система элементов

Одним из наиболее распространенных способов оценки интенсивности водной миграции и концентрации элементов является расчет коэффициента водной миграции - Кх, отражающего соотношение содержаний элементов между горными породами и дренирующими их водами

где Сх - содержание элемента в воде, г/л; М - минерализация воды, г/л; nх - процентное содержание элемента в водовмещающих породах.

Для оценки интенсивности глобальной дифференциации элементов между литосферой и гидросферой в качестве расчетных параметров можно использовать кларки элементов в этих оболочках.

Так как интенсивность перехода элементов из твердой фазы в раствор в значительной мере определяется характером и составом вторичных продуктов выветривания горных пород, то целесообразно рассчитывать Кх не только к составу коренных пород, но и учитывать состав коры выветривания и почв.

Коэффициенты водной миграции различных элементов изменяются от сотых долей единицы до десятков и сотен, что позволило В.Б.Полынову и

26

А.И.Перельману все химические элементы по интенсивности водной миграции в растворенном состоянии обоснованно разделить на четыре основные группы -

очень сильной, сильной, средней, слабой и очень слабой миграции (табл. 10).

Интенсивность водной миграции элементов может изменяться в зависимости от ландшафтно-геохимической обстановки. Одни элементы, особенно переменной валентности (молибден, уран, сера и др.), характеризуются контрастной миграцией в разных условиях, другие (алюминий, титан, цирконий и др.) ведут себя более однообразно.

Таблица 10

Ряды интенсивности водной миграции элементов в окислительной обстановке

Несмотря на то, что основная масса (более 70-80%) микроэлементов в речных водах переносится с взвесями, роль растворимых форм элементов также весьма значительна, так как именно они участвуют в образовании вторичных аккумуляций элементов и их соединений на геохимических барьерах. Кроме того, следует учитывать и суммарный эффект переноса и концентрации растворимых форм элементов в масштабе геологического времени.

Кроме коэффициентов водной миграции, существует целый ряд других показателей, характеризующих как общие гидрохимические особенности вод-

ных сред (показатель и модуль ионного стока, формула химического состава вод и др.), так и показатели трансформации вещества и гидрогеохимической активности ландшафтов, отражающие влияние геохимических процессов на

27

формирование химического состава водных потоков (коэффициенты – гидро-

геохимической активности, бассейновой трансформации веществ и др.).

Практическая работа 3

Цель работы: рассчитать коэффициент водной миграции (Кх) для макро-

и микрокомпонентного состава вод; построить ряды и спектры водной миграции элементов изучаемых объектов; сопоставить полученные спектры миграции с рядами водной миграции А.И. Перельмана, оценить сходство и различие в интенсивности водной миграции элементов в данном регионе с общими закономерностями.

Для выполнения подсчетов Кх предоставляются: таблицы рядов водной миграции по A.M.Перельману (табл.9); таблицы содержаний макро- и

микроэлементов в поверхностных водах двух контрастных объектов

(региональный водоток и локальный) (табл.11).

Таблица 11

Данные для расчета коэффициентов водной миграции (Кх)

Для практических занятий выбраны аналитические характеристики мак-

ро- и микрокомпонентного состава вод локальных водотоков и крупных реч-

ных систем. Крупные речные системы, главным образом с большими бассей-

нами водосбора, т.е. с водными объектами относительно слабого геохимиче-

ского подчинения местным геохимическим ландшафтам, химический состав которых является интегральным следствием совокупного влияния сложных взаимодействующих процессов выветривания горных пород, растворения природных соединений и того подвижного равновесия разных форм водной

28

миграции элементов, которое присуще поверхностным водам отдельных ландшафтных провинций.

Задание 1. Подсчет коэффициентов водной миграции ведется двумя способами: 1) по отношению к кларкам литосферы (Кх1), что имеет универсальное значение, так как позволяет проводить ориентировочное определение миграционной способности элементов и помогает сравнивать интенсивность миграции элементов в любых типах пород; 2) для выявления региональных особенностей водной миграции можно сравнивать химический состав вод с составом почв и пород (Кх2).

Рассчитываемый при региональных работах коэффициент КХ2 косвенно отражает такие процессы, как степень разложения водовмещающих пород,

степень растворимости отдельных соединений, их концентрацию в процессе миграции в водной среде, а следовательно, и химический состав мигрирующих в ландшафте вод.

Следует иметь в виду, что подсчитываемый таким образом коэффициент имеет самое общее значение, так как для более точного отражения процессов,

происходящих в вертикальном профиле ландшафтов, необходим учет многих других факторов, таких, как уклон зеркала подземных вод, скорость их фильтрации и др.

Формула для расчѐта Кх:

где М - общая минерализация, мг/л; nx - кларк пород, %.

При выполнении данного задания необходимо произвести подсчет Кх по общей формуле для микрокомпонентного состава вод. Содержание микроэлементов определяется в сухом остатке вод и вычисляется в %. Для макрокомпонентного состава необходим пересчет на величину общей минерализации вод, так как эти данные приводятся в других показателях, мг/л.

29

Поскольку Кх является ориентировочным показателем интенсивности водной миграции, рекомендуется подсчет коэффициента в интервале целых величин вести с точностью до 1%, а для дробных — с точностью до 10%.

Задание 2. Ранжировать полученные величины Кх для каждого объекта,

что позволяет выявить интенсивность водной миграции в изучаемом регионе.

Градации для их ранжирования: 200-100, 100-50, 50-10, 10-1, 1-0,1, 0,1- 0,01 и менее 0,01. Полученные величины следует занести в таблицу следующей формы (табл. 12).

Таблица 12

Сопоставление рядов водной миграции элементов

Такая форма отображения местных рядов миграции очень наглядна и помогает выявить региональные особенности водной миграции элементов. Она служит основой для выполнения заключительного этапа этой работы.

Задание 3. Написать краткие выводы по региональной специфике водной миграции. Выводы базируются на анализе полученных величин Кх изучаемых объектов и сопоставлении их с рядами миграции А.И.Перельмана. Все элементы по полученным величинам Кх следует подразделить на 3 группы: в 1

группу входят те элементы, интенсивность миграции которых совпадает с ря-

дами А.И.Перельмана, т.е. является фоновой. Во 2 и 3 группы объединяются элементы, интенсивность миграции которых выше (2) или ниже (3), чем в рядах Перельмана. Такой анализ помогает вскрыть зональные и региональные особенности водной миграции элементов в ландшафтах.

30

В пределах одной зоны, например гумидной, можно выявить изменения в интенсивности водной миграции в зависимости от принадлежности водных артерий к различным крупным геосистемам.

Глава 3 Геохимия живых организмов

3.1 Биогенная миграция

«Живое вещество», по определению В.И. Вернадского, – это совокупность всех живущих на планете организмов. Интересен пример, в

котором В. М. Гольдшмидт образно показал соотношение между сферами Земли по массе: если представить литосферу в виде каменной чаши весом 10,5

фунтов (4,72 кг), то вода в ней будет гидросферой, монетка – атмосферой,

марка, плавающая на поверхности, – биосферой. Тем не менее роль биосферы в перераспределении химических элементов трудно переоценить, поскольку

«…на земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом».

Высшими растениями суши ежегодно синтезируется более 100 млрд т сухого органического вещества. Зольные элементы и азот составляют в среднем около 5 % этой массы. Значит, можно заключить, что на суше вовлекается в биологический круговорот несколько миллиардов тонн химических элементов в год.

В живых организмах встречаются почти все известные химические элементы, но их распространение неравномерно. Основные элементы,

слагающие живое вещество: кислород – 70 %, углерод – 18 и водород – 10,5 %.

Содержание каждого элемента в живом веществе рассчитывают в трех разных видах единиц: на живую (сырую) массу, на абсолютно сухое вещество или на золу. Результаты расчетов в зависимости от вида единицы различаются в

10–20 раз.