Методические указания к решению задачи 2.

Химический состав подземных вод зависит от литологического состава горных пород, условий питания, залегания и дренирования водоносных горизонтов. Минерализация подземных вод формируется в результате действий процессов растворения, окисления, диффузии, испарения, смешения, гидрации, доломитизации и др.

Все природные воды – это растворы содержащие ионы, коллоидные и взвешенные частицы, газы. В подземных водах найдено более половины известных элементов из таблицы Менделеева.

Главными ионами являются:

Хлор ион Сl^–, сульфат ион SO₄^{2 –}, гидрокарбонат ион НСО₃^–, ион натрия Na⁺, ион кальция Ca²⁺ и ион магния Mg²⁺.

Обычно в пресных водах преобладают НСО₃^– и Ca²⁺, в соленых водах - Сl^– и Na⁺. Кроме этих ионов, в водах часто присутствуют: карбонат-ион СО₃ ^2–, ион калия К⁺, ионы железа - Fe²⁺ и Fe³⁺.

Под ионным составом вод обычно понимают содержание вышеперечисленных шести ионов, пренебрегая другими. Суммарное содержание в воде растворенных ионов солей и коллоидов называется минерализацией воды.

Из газов, присутствующих в воде, наибольшее значение имеет содержание – углекислого газа (СО₂) и сероводорода (Н₂S), так как от их содержания зависят ее агрессивные свойства. Кроме того, бывает важно знать содержание кислорода, аргона, метана – СН₄, этана – С₂Н₆, пропана – С₃Н₈, бутана – С₄Н₁₀. Наличие более тяжелых, чем метан углеводородных газов (этан, пропан и бутан), обычно связано с нефтеносными отложениями. Количество каждого растворенного газа в воде выражается в объемных единицах см³/л.

Общий химический анализ обычно делается для общей характеристики воды. В настоящее время обязательно определение пяти главных ионов: Cl^-, SO₄^2-, HCO₃^-, Ca²⁺, Mg²⁺ (Na⁺ определяют по разности). Анализ этих шести ионов, (часто к ним добавляют ионы CO₃^2-, Fe²⁺, Fe³⁺) плотности, и рН воды, называют стандартным или шестикомпонентным. рН – водородный показатель или реакция среды – т.е. щелочно-кислотные свойства воды. Определяется рН концентрацией водородных ионов.

Результаты химического анализа подземных вод выражают в виде содержания отдельных ионов в ионно-весовой, эквивалентной и процентно-эквивалентной формах:

Весовая ионная форма – это содержание в воде весовых количеств ионов – в миллиграммах к литру или кг, или 100 граммах воды.

Эквивалентная форма выражения состава вод дает более точное представление о химизме. Ионы реагируют между собой в определенных количествах, зависящих от веса и валентности. Например: Na⁺ реагирует с Сl^– не в количестве 1 г Na⁺ + 1 г Сl^–, а в эквивалентных соотношениях – 1 экв. Na⁺ на 1 экв. Сl^–. Эквивалент-ный вес – или эквивалент – это частное от деления ионного веса на валентность. Эквивалент Na⁺ равен 23/1, а эквивалент Сl^– =35,5/1, следовательно на 23 весовые единицы иона Na⁺ приходится 35,5 весовых единиц Сl^– .

Для перехода от весовой ионной формы к эквивалентной, необходимо содержание иона в миллиграммах или граммах разделить на величину эквивалента иона (данные табл. 1), или умножить на пересчетные коэффициенты, приведенные в таблице приложения 6.

Таблица 1.

Ион	Эквивалент	Ион	Эквивалент
Na+	23,0	Cl–	35,5
Mg2+	12,2	SO42–	48,0
Ca2+	20,0	HCO3–	61,0
K+	39,1	Br–	79,9
NH4+	18,0	J–	126,9
Fe2+	18,6	HS–	33,0
Fe3+	27,9	CO32 –	30,5

Процент – эквивалентная форма может быть получена из эквивалентной формы. Она показывает относительную долю ионов во всей ионно-солевой массе.

Сумму всех ионов (катионов и анионов) в эквивалентах принимают за 100 или 200%- экв.

Следует отметить, что сульфатно-натриевый и гидрокарбонатно-натриевый типы подземных вод соответствуют континентальным условиям, хлоридно-магниевый тип вод соответствует морской обстановке, а хлоридно-кальциевый тип – глубинной обстановке.

Наиболее распространенные типы вод нефтяных месторождений – гидрокарбонатно-натриевый и хлоридно-кальциевый, свойственный обстановке затрудненного и весьма затрудненного водообмена и восстановительным условиям. Главную роль в составе вод нефтяных месторождений играют среди анионов – хлор, среди катионов – натрий. В составе растворенных газов в водах преобладают азот, метан, реже углекислый газ.

Задание

Используя данные таблицы вычислите погрешность химического анализа подземной воды, определите ее класс, группу и наименование. Определите вид жесткости подземной воды. Запишите состав воды в виде формулы солевого состава. При решении задачи используйте приложения 1-3.

Приложение 1. Классификация подземных вод

1. По обшей минерализации, г/л: сверхпресные < 0,2; пресные 0,2...1; слабо­солоноватые 1...3; сильносолоноватые 3...10; соленые 10...35; рассольные > 35.

2. По температуре, °С: переохлажденные < 0; холодные 0...20; теплые 20…37; горячие 37...50; весьма горячие 50...100; перегретые > 100.

3. По степени жесткости, мг-экв/л: очень мягкие < 1,5; мягкие 1,5...3,0; умеренно жесткие 3,0...6,0; жесткие 6,0...9,0; очень жесткие > 9,0.

4. По величине рН: очень кислые рН < 5; кислые 5 ≤ рН < 7; нейтральные рН=7; щелочные 7 < рН ≤ 9; высокощелочные рН > 9.

Приложение 2. Коэффициенты для пересчета содержания в воде главных ионов из мг в мг-экв

Ионы	НСО3-	S042-	Сl-	Na+	Са2 +	Мg2 +
Коэффициент	0,0164	0,0208	0,02820	0,0435	0,0499	0,0822

Приложение 3. Химическая классификация состава воды по С.А. Щукареву

Принадлежность воды к тому или иному классу в соответствии со схемой определяется содержанием главных ионов в количестве более 25 %-экв.

Элемент	НСО3-	НСО3-, S042-,	НСО3-, S042-, Сl-	НСО3-, Сl-	S042-	S042-, Сl-	Сl-
Мg
Мg, Са
Са
Са, Na
Na
Мg, Са, Na
Мg, Na

Пример решения

Проводят пересчет данных анализа из мг/л в мг-экв/л, используя пересчетные коэффициенты (приложения 6). Результаты записывают в третий и седьмой столбцы табл. 3. Например, содержание в воде гидрокарбонат-иона равно: 293 * 0,0164 = 4,8 мг-экв/л, где 293 мг/л — содержание гидрокарбонат-иона по условию задачи; 0,0164 —пересчетный коэффициент для гидрокарбонат-иона.

Для определения погрешности результатов анализа отдельно суммируют содержание анионов и катионов, выраженное в мг-экв форме. Относительная погрешность анализа в нашем случае равна:

х = [|(11,2—11,1|)/(11,2 + 11,1)]*100≈ 0,45%.

Таблица 1

Анионы	Содержание	Катионы	Содержание
мг/л	мг-экв/л	%-экв	мг/л	мг-экв/л	%-экв
НСО3-		4,8		Na+		9,5
SO42-		2,1		Ca2+		0,2
Cl-		4,3		Mg2+		1,4
Итого		11,2		Итого		11,1

Затем выражают химический состав воды в %-экв форме, приняв суммы анионов и катионов за 100 % каждую, полученные результаты записывают в четвертый и восьмой столбцы табл. 1.

В связи с тем, что при анализе воды сухой остаток не определялся, вычисляют его приближенно. При выпаривании все негазообразные вещества, кроме гидрокарбонат-иона, переходят в сухой остаток. Гидрокарбонат-ион распадается по уравнению: 2НСО₃^- + СО₃^2- + С02+ Н₂О. При этом в виде диоксида углерода и паров воды теряется около 0,5 его массы, точно 0,508. Экспериментально опреде­ленный сухой остаток всегда больше вычисленного (с учетом 0,5 НСО3), иногда на 5...12 %. Учитывая это, общую минерализацию (сухой остаток) приближенно вы­числяют по формуле:

М =(1,05...1,12)(0,5НСО3^- + SО₄^2- + Сl^- + Nа⁺ + Са²⁺ + Мg²⁺). (3)

По данным варианта А, М ≈ 1,1(0,5* 293 + 101 +152 + 218 + 4 + 17) ≈ 638 мг/л.

По классификации Щукарева (приложение 3) вода называется хлоридно-гидрокарбонатная натриевая и относится к 26-му классу, группе А.

Далее составляют формулу солевого состава. Формула составляется в виде дроби, в числителе которой записывают анионный состав воды (%-экв) в убывающем порядке, а в знаменателе — катионный. Перед дробью записывают содержание газов и специфических элементов, если они имеются в воде, и общую минерализацию М.

После этого определяют общую жесткость воды как сумму катионов кальция и магния, выраженных в мг-экв/л: 0,2 +1,4 = 1,6 мг-экв/л. С привлечением данных приложения 5, вода данного варианта классифицируется как мягкая.

Вывод: таким образом, название воды: гидрокарбонатно-хлоридно-натриевая, проанализированная вода является пресной, холодной, мягкой, кислой, относится к 26 классу вод и группе А (по Щукареву).

Экзаменационные вопросы

1. Содержание предмета, цели и значение геологии как науки. Разделы геологии

2. Гипотезы формирования Земли

3. Форма и внутреннее строение Земли и методы, позволяющие изучить это строение

1. Внешние оболочки Земли

5. Состав оболочек Земли и сейсмические границы раздела

6. Магнитное поле Земли, его происхождение и характеристики

7. Тепловое поле Земли, его происхождение и характеристики

8. Строение и состав земной коры

1. Минералы земной коры. Классификация по химическому составу, физические свойства минералов.
2. Выветривание. Геологическая деятельность ветра.
3. Геологическая деятельность текучих и поверхностных вод
4. Геологическая деятельность подземных вод
5. Разрушительная работа ледников, формы ледникового рельефа
6. Геологическая деятельность озер, болот.

15. Геологическая деятельность морей и океанов.

16. Селевые потоки: зарождение, движение, отложения. Предупредительные меры

1. Интрузивный магнетизм. Формы интрузии
2. Вулканизм. Типы вулканов, их строение и связь с магмой разного состава

19. Поствулканические явления, общая характеристика

20. Основные типы и факторы метаморфизма

21. Диагенез осадков

1. Основные формы залегания горных пород.
2. Понятие о горных породах. Классификация горных пород по генезису.
3. Понятие текстуры и структуры горных пород.
4. Магматические горные породы, классификация по химическому составу.
5. Осадочные горные породы и их классификация.
6. Метаморфические горные породы и их классификация.
7. Физико-механические свойства горных пород

29. Современные и древние коры выветривания

1. Классификация тектонических движений.

31. Колебательные, складчатые и разрывные движения земной коры.

1. Основные тектонические структуры литосферы

33. Основные структурные элементы платформ, их выражение, возраст платформ

34. Характеристика континентов и океанов как важнейших структур земной коры

35. Понятие о фациях

36. Понятие о деформациях, ее типы

37. Механизм разрушения горных пород, напряженное состояние земной коры

38. Слой и слоистость. Взаимоотношение слоистых толщ.

39. Трансгрессивное и регрессивное залегание отложений, их образование и выражение в геологическом разрезе.

40. Типы несогласий, их происхождение и выражение в разрезе. Тектонические движения геологического прошлого.

41. Складчатые деформации. Элементы складки, типы и формы складок, их образование

42. Складки в плане, замыкания складок, их значение для построения профилей

43. Физические условия возникновения разрывов в горных породах, элементы сброса, типы разрывных нарушений

44. Взбросы, надвиги, покровы, сдвиги. Элементы, образование, происхождение

45. Понятие о землетрясении, примеры катастрофических землетрясений

46. Геологические обстановки возникновения землетрясений, географическое распространение землетрясений

47. Цунами, условия возникновения, примеры

1. Основные задачи исторической геологии. Методы исторической геологии

49. Абсолютный возраст горных пород.

50. Относительный возраст пород и методы его определения. Геохронологическая таблица.

51. Классификация геологических карт. Принципы их составления.

52. Условные обозначения геологических карт. Изображение структурных элементов на геологических картах.

53. Способы измерения элементов залегания горный компас и приемы пользования им.

54. Определения элементов залегания пласта по геологической карте.

1. Построение структурных карт

56. Характеристика климатического и геологического круговорота воды.

57. Основные законы движения подземных вод.

58. Понятие о коэффициенте фильтрации и методах его определения.

59. Классификации подземных вод.

60. Расчет водопритока к дренажным сооружениям и водозаборам.

61. Режим грунтовых вод в районах многолетней мерзлоты.

62. Артезианские бассейны.

63. Межпластовые безнапорные и напорные воды.

64. Химический состав подземных вод.

65. Источники, их классификация и лечебно-промышленное применение.

1. Подземные воды нефтяных и газовых месторождений.
2. Определение скорости и направления движения воды. Карта гидроизигипс.

68. Виды воды в грунтах.

1. Понятие и классификация грунтов.
2. Лабораторные и полевые методы определения физико-механических свойств грунтов.
3. Стадии инженерно-геологических изысканий.
4. Порядок построения геологического разреза.
5. Методы, состав и объем инженерно- геологических работ.
6. Классификация полезных ископаемых.

75. Понятие о катагенезе и формирование нефти.

1. Опережающие и сопровождающие геофизические работы.
2. Оценка эффективности поисково-разведочных работ.
3. Особенности поисков и разведки нефтяных, газовых и газоконденсатных месторождений.

79. Состав и свойства нефти