Гидрохимия - Крайнов С.Р.
ISBN 5-247-01293-3
Скачать (прямая ссылка):
423
Рис. 15.3. Схема изменения степени насыщения подземных вод различными соединениями с в зависимости от скорости их движения
/—3 — соответственно трудно Al(OH3 и др., средне (CaFj1 CaCO3 и др.) и хорошо (NaCl и др.) растворимые соединения
сыщения по CaF2 и при дальнейшем уменьшении скорости эти концентрации в данной гетерогенной системе определяются только равновесиями CaF2(TB) = Ca2++2F" При этом здесь важно понять что при минимальных (т. е. ниже критических) скоростях фильтрации в условиях химического равновесия концентрации фтора и кальция зависят уже не от геохимических свойств пород, а только от химического состава подземных вод. В связи с этим в условиях равновесия воды одинакового химического состава независимо от геохимического типа пород содержат близкие концентрации фтора, соответствующие рассчитанным для данных систем. Влияние геохимических особенностей пород значительно только на первых стадиях взаимодействий, когда система неравновесна и далека от равновесных состояний. Отсюда важное следствие — результаты моделирования системы «CaF2—подземные воды** могут быть использованы для прогноза- предельных концентраций фтора и загрязненных подземных водах, формирующихся в любых геохимических типах пород.
Мы рассмотрели только одну из многих гидрогеохимических систем. Но различные вещества, участвующие в таких гидрогеохимических системах имеют разные растворимости и поэтому различные гетерогенные гидрогеохимические системы имеют разную динамику приближения к равновесным состояниям в поле скоростей фильтрации подземных вод. В этом отношении существует связь между растворимостью различных соединений и динамикой приближения гидрогеохимических систем к состояниям химического равновесия. Установлено, что чем меньше растворимость соединения, тем больше сдвигается состояние химического равновесия в данной частной системе в сторону больших скоростей фильтрации (рис. 15.3). Это означает, что чем менее растворимо соединение, тем большей может быть критическая скорость, при которой система становится равновесной, и тем больше диапазон оптимальных скоростей, при которых в системе сохраняется равновесное состояние. Отсюда следует, что условия благоприятного оптимального использования методов химической термодинамики при прогнозе
424
качества подземных вод, формирующихся при гетерогенных взаимодействиях, определяются: а) уменьшением скорости фильтрации подземных вод; б) снижением растворимости твердой фазы, участвующей во взаимодействиях.
15.4.2. Теоретические геохимические основы, закладываемые в термодинамическое моделирование
Теоретической основой термодинамического моделирования гидрогеохимических явлений и процессов являются современные представления о миграционных формах химических эле ментов в подземных водах и их влиянии на гомогенные и ге терогенные геохимические процессы. В главе 3 было показанс насколько разнообразными могут быть миграционные формы химических элементов, особенно комплексные, в подземных водах. Для целей термодинамического моделирования гидрогеохимических явлений важно знать, что растворимость твердой фазы возрастает пропорционально увеличению констант устойчивости комплексных соединений, образуемых компонентами твердой фазы с компонентами водной фазы. Чем устойчивее комплексное соединение компонента в растворе, тем интенсивнее переходит этот компонент из твердой фазы в раствор. *
Исходя из всеобщего характера ассоциации растворенных в воде частиц и основанной на этом модели процесса растворения, величину концентраций любого химического компонента в природном растворе можно рассматривать и вычислять как обусловленную равновесиями между твердой фазой и соответствующими комплексными формами элемента в водной фазе. Так, при растворении твердой фазы, например, СаСОз, в чистой воде выражение для концентрации кальция будет иметь вид:
^2Ca = /Иса2+ + тсаНСО+з + /7ICaCOO3 + тСаОН* + • - • .(15.1)
При растворении твердой фазы СаСОз в растворе другого вещества, например NaCl необходимо принять во внимание ассоциацию частиц растворяющегося вещества (Ca2+, НСОз", CO32") с частицами растворенного вещества (Na+ и Cl"):
mzca = mca2+ + тСаНСО+з + ^CaCO0 3 + ^CaCl+ + ... (15.2)
Чем устойчивее комплексные соединения в правой части этих уравнений, тем растворимее твердая фаза.
Каким образом учитывается совокупность процессов, происходящих при взаимодействии подземной воды с различными минералами и породами?
При взаимодействии интрузивной породы с чистой водой рассматривают равновесия между устойчивыми при данных параметрах твердыми фазами и раствором:
SiQ2(K) + 2H2O = H4SiO04 (р-р); .
кварц
MgSiO3+2H2O = Mg2+ -f H3SiO-,, + ОН-, .
энстатнт
KAl3[AlSi3O1Ql(OH)2+ 1OH2O = К++ЗА1 (OH)°3+3H3SiO04+OH-;
мусковит
NaAlSi3O8 + 8H2O = Na++Al (0Н)°3 + 3H4SiO°4 + ОН";
альбит
KAlSi3Q8 + 8H2O=K+ + Al (0Н)°3+3H4SiO0« + ОН- и т. д.
ыккроклин
Одновременно необходимо учесть реакции диссоциации — ассоциации между растворенными частицами типа:
H4SK)O4 = H+ +H3SiO"4;
H*SiO~4 + ОН" = H2SiO42- + H2O; '
