Техногенная метаморфизация подземных вод (классификация Самариной-Гаева)

Техногенная метаморфизация подземных вод в условиях современного техногенеза сопровождается повышением концентрации комплексных миграционных форм и, следовательно, общей закомплексованности ингредиентов. [1]

При исследовании техногенной метаморфизации подземных вод возникает вопрос разграничения этапов частичной и полной метаморфизации, особенно в начальный период замещения первого ореола вторым, на основе какого-либо количественного показателя. В качестве такого показателя мы предлагаем коэффициент, равный отношению содержаний ( в мг-экв / л) в загрязненных водах анионов, обусловливающих химический тип сточных ( атмосферных осадков, загрязненных продуктами выщелачивания твердых отходов) и природных вод. Поскольку основными тенденциями техногенной метаморфизации подземных вод являются направления НСО3 - S04 С1 и НС03 ( SO4) - CO3, коэффициент Кгм равен соответственно отношению концентраций Гидрокарбонат - и сульфат-ионов, гидрокарбонат - и хлорид-ионов, гидрокарбонат - ( сульфат -) и карбонат-ионов. Кроме того, как отмечалось выше, для сельскохозяйственных регионов характерным направлением техногенной метаморфизации грунтовых вод является НС03 - КОз. Для них Ктм равен отношению содержаний гидрокарбонат - ( сульфат -) и нитрат-ионов. [2]

В процессе техногенной метаморфизации подземных вод миграционная способность ингредиента, при прочих равных условиях, определяется спектром приоритетных, геохимически значимых форм его миграции. Их качественно-количественный состав является производной такового в жидких отходах, атмосферных осадках, загрязненных пылегазовыброса-ми и продуктами выщелачивания твердых отходов, в природных подземных водах. В связи с этим первостепенное значение приобретает выявление приоритетных, геохимически значимых миграционных форм ингредиентов, закономерностей их образования и последующей трансформации. [3]

На каждой стадии техногенной метаморфизации подземных вод формируется устойчивая ассоциация геохимически значимых миграционных форм ингредиентов, имеющая свои специфические особенности в регионах, относящихся к определенным типам крупных тектонических структур, и отражающая влияние как техногенных факторов, так и их обусловленность взаимосвязью структурно-тектонического и формацион-ного факторов. [4]

По мере углубления техногенной метаморфизации подземных вод происходит относительное накопление электронейтральных и отрицательно заряженных миграционных форм ингредиентов, отличающихся повышенной устойчивостью в процессах геохимической миграции. [5]

К числу факторов частичной техногенной метаморфизации подземных вод, на которые не обращалось должного внимания, относится форма нахождения воздушных мигрантов в атмосфере и их относительная устойчивость в процессах химического и фотохимического разрушения. Форма воздушной миграции ингредиента определяет дальность его переноса, интенсивность отмеченных выше физико-химических процессов в атмосфере, эффективность захвата атмосферными осадками, миграционную способность в зоне аэрации. В настоящее время различают следующие формы воздушных мигрантов по их физическому состоянию - парогазовую и аэрозольную. [6]

В пределах каждого цикла техногенной метаморфизации подземных вод имеет. [7]

Из изложенного видно, что частичная техногенная метаморфизация подземных вод контролируется техногенными факторами 1 - й группы, полная метаморфизация - факторами 2 - й группы. Действие отмеченных групп факторов усиливается в сочетании с техногенными факторами 3 - й группы. Высокий водоотбор в различных целях ведет к образованию обширных депрессионных воронок с обратными уклонами зеркала подземных вод, росту пьезометрического градиента, а следовательно, и к увеличению скорости миграции ингредиентов. [8]

Так же как и в I подзоне, техногенная метаморфизация подземных вод II и Ш подзон определяется соотношением действующих техногенных и природных факторов. [9]

Анализ полученных нами материалов с учетом основных закономерностей техногенной метаморфизации подземных вод, изложенных в главе II, позволяет сделать следующие важные выводы. На стадии частичной метаморфизации как грунтовых, так и пластовых вод устойчивая ассоциация геохимически значимых миграционных форм макрокомпонентов идентична таковой природных вод. Устойчивая ассоциация миграционных форм микрокомпонентов имеет следующие особенности. В частично мета-морфизованных подземных водах древних платформ она включает метал-лоорганические соединения, комплексы с органическими лигандами, сульфатные и карбонатные комплексы, гидроксокомплексы, свободные ионы. [10]

Как видно из материалов II главы, в техногенной метаморфизации подземных вод большую роль играют гетерогенные процессы массооб-мена, в результате которых происходит образование новых твердых фаз - техногенных осадков. Указанные процессы делятся на две большие группы. Первую составляют процессы, протекающие с участием водоносных пород. Они включают гидролиз силикатов и алюмосиликатов, кислотное выщелачивание карбонатных пород и карбонатов терригенных отложений, гипсов и ангидритов; техногенный метасоматоз. Во вторую группу входят процессы взаимодействия ингредиентов загрязненных атмосферных осадков, сточных и природных вод, завершающиеся осаждением твердых фаз. К ним относятся гетерогенные процессы окисления-восстановления и осаждения. [11]

Дня межгорных впадин складчатых областей характерно развитие ореолов частичной техногенной метаморфизации подземных вод с участием главным образом тяжелых металлов и органических соединений из числа флотоагентов. Наличие угленосной, рудных ( в пределах складчатых систем) формаций определяет преимущественное развитие добывающей, обогатительной, металлургической ( выплавка цветных металлов) и теплоэнергетической промышленности. Основными компонентами пылегазовыбросов предприятий йеречисленных отраслей являются тяжелые металлы и летучие флотоагенты ( в первую очередь фенолы), которые с атмосферными осадками поступают в подземные воды. [12]

Материалы настоящей главы показывают всю сложность и многогранность процессов техногенной метаморфизации подземных вод сельскохозяйственных регионов. Приоритетными процессами геохимической миграции и массообмена здесь являются сорбция, ионный обмен, биохимическая и химическая деструкция ингредиентов. Региональный характер загрязнения подземных вод нитратами, пестицидами и их метаболитами выдвигает первоочередную задачу изучения закономерностей миграции указанных ингредиентов в загрязненных водах основных химических типов. [13]

Из изложенных в настоящей главе материалов видно, что в техногенной метаморфизации подземных водразрабатываемых угольных месторождений наряду с привносимыми ингредиентами большую роль играют компоненты пород. Их мобилизация в значительной мере происходит в результате активного функционирования техногенных микробиоценозов. Наиболее благоприятные условия для жизнедеятельности последних создаются при карьерном способе отработки месторождений, когда действие дренажа охватывает значительные по мощности толщи пород. При этом анаэробные условия сменяются аэробными. Основная особенность загрязненных подземных вод в пределах угольных месторождений состоит в том, что спектр загрязняющих микрокомпонентов преимущественно обусловливается составом и свойствами водоносных и осушаемых пород. [14]

В табл. 10 систематизированы материалы, дающие представления об основных направлениях техногенной метаморфизации подземных вод 1 подзоны техногенеза континентальной гидролитосферы и о ведущей роли структурно-тектонического и формационного факторов. Как видно из та.бл. 10, полная техногенная метаморфизация подземных вод в про-мыпшенно развитых регионах протекает главным образом в направлении замещения гидрокарбонат-ионов сульфат - и ( или) хлорид-ионами. Тенденция замещения гидрокарбонат - или сульфат-ионов карбонат-ионами наблюдается лишь в регионах, специализирующихся на производстве глинозема и обогащении фосфатных пород. Сравнительный анализ материалов табл. 10 показывает следующее. Полная техногенная метаморфизация подземных вод осадочного чехла древних платформ преимущественно завершается формированием вод сульфатного типа, в меньшей степени хлоридного и карбонатного типов; молодых платформ - хлоридного типа. В зонах сочленения платформ и складчатых областей преобладающим направлением техногенной метаморфизации является HCO3 ( SO4) - Cl. В складчатых областях происходит формирование загрязненных подземных вод главным образом сульфатного типа. [15]

Натурные наблюдения показывают, что в I подзоне следует различать два вида техногенной метаморфизации подземных вод - частичную и полную. Частичная метаморфизация отличается существенным изменением лишь микрокомпонентного состава, рН, реже Eh подземных, вод при постоянстве их исходного химического типа. Она происходит в результате инфильтрации атмосферных осадков, загрязненных пылегазовыбро-сами промышленных предприятий, транспорта, испарениями сточных вод с поверхности накопителей, пестицидами аэрозолей и газообразной фазы, и ( или) питания горизонта поверхностными водами, загрязненными воздушными мигрантами. Кроме того, частичная метаморфизация наблюдается в результате питания вод одного горизонта водами другого, подвергшегося метаморфизации рассматриваемого вида. При этом в подземные воды поступают фенолы, углеводороды нефти и нефтепродуктов, органические соединения отходов химической, нефтехимической, металлургической, обогатительной промышленности, тяжелые металлы, пестициды и их метаболиты. [1]

Итак, материалы настоящей главы показывают, что одной из основных особенностей техногенной метаморфизации подземных вод является образование техногенных осадков как в результате взаимодействия загрязненных вод и пород, так и выделения их из жидкой фазы. Спектр техногенных осадков, как правило, определяется химическим составом и физико-химическими свойствами метаморфизованных вод. В начальный период формирования техногенных геохимических аномалий, когда физико-химические условия далеки от динамического равновесия, преобладает осаждение метастабильных твердых фаз. [2]

В сточных йодах титан присутствует в следующих формах: TiCl3, TiClf, TiOf, ТЮ2ОН, Ti02 ( OH) t, Ti02SOl, TiO2F, Ti02F, TiO2FJ, В ходе техногенной метаморфизации подземных вод состав миграционных форм титана существенно меняется. Суммарное содержание титана в загрязненных подземных водах, равное 0 006 - 1 70 мг / л, контролируется главным образом процессами гидролиза, сорбции и конвективной диффузии. Техногенные осадки, содержащие титан, практически не изучены. [3]

На стадии полной техногенной метаморфизации подземных вод устойчивая ассоциация геохимически значимых миграционных форм макрокомпонентов образована свободными ионами и их комплексами с неорганическими лигандами, определяющими химический тип инфильтрующихся сточных вод. В полностью метаморфизованных подземных водах древних платофрм и складчатых областей, относящихся преимущественно к сульфатному типу, она представлена свободными ионами и сульфатными комплексами. В пределах молодых платформ, где техногенная метаморфизация подземных вод происходит, как правило, в направлении НСОз - С1, миграция макрокомпонентов в метаморфизованных водах осуществляется в виде свободных ионов, хлоридных комплексов, а при содержании сульфат-ионов более 600 мг / л - и сульфатных комплексов. [4]

Направленность, интенсивность, пространственно-временная масштабность техногенной метаморфизации подземных вод определяется соотношением техногенных и природных факторов. [5]

При этом большую роль играет жизнедеятельность техногенных микробиоценозов. В настоящее время наиболее полно можно проследить закономерности техногенной метаморфизации подземных вод I подзоны, в несколько меньшей степени - II подзоны техногенеза. Поэтому наряду с дальнейшим накоплением эмпирического материала по отмеченным подзонам необходимы детальные гидрогеохимические исследования III и IV подзон. Кроме того, усиленное освоение шельфа Мирового океана выдвигает задачу изучения техногенных изменений океанической гидролитосферы, где наши познания практически равны нулю. Составной частью исследований по гидрогеохимии техногенеза должно стать физическое и математическое моделирование физико-химических и биохимических процессов с целью создания банка данных по их параметрам как функции ионной силы, рН, Eh вод, концентрации ингредиента, температуры и пластового давления; наличия и содержания стимуляторов и ингибиторов Приоритетных процессов, литолого-петрографического состава пород. [6]

К соответственно отражают специфику формирования загрязненных подземных вод карбонатного, сульфатного и хлоридного типов. Материалы табл. 11 и 12 характеризуют следующие закономерноститехногенной метаморфизации подземных вод I подзоны техногенеза. [7]

Сорбционные процессы имеют большое значение в формировании техногенных гидрогеохимических аномалий, что отмечается во многих работах, посвященных прогнозу загрязнения подземных вод. Подавляющее большинство выполненных исследований в этой области не учитывает влияние техногенных гидрогеохимических обстановок на закономерности сорбции, а следовательно, и на ее параметры. Между тем из материалов II и III глав видно, что техногенная метаморфизация подземных вод сопровождается существенными изменениями ионной силы вод, физико-химических параметров миграции ингредиентов и усилением процессов комплексообразо-вания. [8]

В центральной части древних платформ формируются, как правило, загрязненные воды сульфатного типа. Только при наличии фос-форитоносной формации в районах добычи и обогащения фосфатных рудтехногенная метаморфизация подземных вод протекает в направлении накопления карбонат-ионов. В периферийных частях наблюдается формирование загрязненных подземных вод хлоридного и карбонатного типов. [9]

Анализ большого эмпирического материала показывает, что наиболее существенные изменения качества подземных вод происходят в районах разработок месторождений энергетического сырья, в пределах промыш-ленно-урбанизированных территорий, в регионах интенсивного развития сельскохозяйственного производства. Они различаются по спектру приоритетных, техногенных факторов, интенсивности их воздействия, особенностям техногенной метаморфизации подземных вод, масштабам геохимических преобразований. [10]

При исследовании техногенной метаморфизации подземных вод возникает вопрос разграничения этапов частичной и полной метаморфизации, особенно в начальный период замещения первого ореола вторым, на основе какого-либо количественного показателя. В качестве такого показателя мы предлагаем коэффициент, равный отношению содержаний ( в мг-экв / л) в загрязненных водах анионов, обусловливающих химический тип сточных ( атмосферных осадков, загрязненных продуктами выщелачивания твердых отходов) и природных вод. Поскольку основными тенденциями техногенной метаморфизации подземных вод являются направления НСО3 - S04 С1 и НС03 ( SO4) - CO3, коэффициент Кгм равен соответственно отношению концентраций Гидрокарбонат - и сульфат-ионов, гидрокарбонат - и хлорид-ионов, гидрокарбонат - ( сульфат -) и карбонат-ионов. Кроме того, как отмечалось выше, для сельскохозяйственных регионов характерным направлением техногенной метаморфизации грунтовых вод является НС03 - КОз. Для них Ктм равен отношению содержаний гидрокарбонат - ( сульфат -) и нитрат-ионов. [11]

Гидролитосфера является одной из лабильных частей биосферы. Воздействие на нее техногенных факторов приводит к техногенной метамор-физации подземных вод, которая характеризуется сложными зколого-экономическими последствиями. Поэтому в данной книге главное внимание уделено следующим вопросам: обоснованию эволюции размеров зоны техногенного давления на гидролитосферу и основных ее геохимических показателей; формированию химического состава загрязненных подземных вод как следствия глобальных и региональных техногенно-геохими-ческих преобразований; закономерностям техногенной метаморфизации подземных вод с использованием впервые формационного и структурно-тектонического подходов; физико-химическим и биохимическим процессам техногенной метаморфизации, элементарной составляющей которых является миграционная форма ингредиента; особенностям формирования химического состава загрязненных подземных вод в промышленно-урбанизированных и сельскохозяйственных районах; основам гидрогеохимического мониторинга как составной части комплексного мониторинга биртехносферы, отвечающею уровню организованности биосферы в современный период. [12]

Из рассмотренных выше материалов следует, что в регионах развития нефтегазодобывающей промышленности значимость техногенеза огромна. Действие техногенных факторов здесь охватывает зону интенсивного, замедленного и весьма замедленного водообмена и проникает в область физически связанной воды. Техногенная метаморфизация пластовых вод в основном сводится к формированию соленых, повышенной солености вод и слабых рассолов преимущественно хлоридного натриевого, кальциевого состава с повышенным содержанием гидрокарбонатов и ряда органических соединений, не имеющих себе аналогов в природной обстановке. Приоритетными процессами техногенной метаморфизации подземных вод являются углекислотное выщелачивание водовмещающих пород, гидролиз, образование техногенных гипса и кальцита, сорбция, биодеструкция нефтяных углеводородов, сульфатредукция, метаногенез. [13]

Усиление комплексообразования способствует повышению устойчивости ингредиентов в водах. Кроме того, показателем такой устойчивости является соотношение концентраций положительно заряженных миграционных форм и суммы электронейтральных и отрицательно заряженных миграционных форм. Известно, что, при прочих равных условиях, устойчивость электронейтральных и отрицательно заряженных соединений в процессах геохимической миграции выше, чем положительно заряженных. Данные таблицы показывают, что по мере углубления техногенной метаморфизации подземных вод в них накапливаются электронейтральные и отрицательно заряженные миграционные формы практически всех рассматриваемых ингредиентов. Максимального развития этот процесс достигает в техногенных крепких рассолах хлоридного натриевого состава и в содовых водах повышенной солености, формирование которых наблюдается на окраинах древних платформ, в молодых платформах, зонах сочленения платформ и складчатых областей. [14]

Как показали натурные наблюдения, контрастность ореола частичной метаморфизации подземных вод и его протяженность вдоль оси факела пылегазовыбросов обусловливается концентрацией ингредиента в приземном слое воздуха. Она находится в прямой зависимости от максимальной концентрации ингредиента в приземном слое воздуха, соответствующей, так называемой опасной скорости ветра ( мк), соотношения путей воздушной миграции при данной преобладающей скорости ветра Уъ и мк. Наши многолетние исследования свидетельствуют о том, что максимальная протяженность ореола частичной техногенной метаморфизации подземных вод соответствует направлению ветров с Уяъик. Максимальный привнос в подземные воды воздушных мигрантов происходит в сезоны года с VB ик. [15]