Формирование железистых подземных вод - Труфанов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Окислительно-восстановительный потенциал (Eh), являясь характеристикой свободной энергии окислительно-восстановительных систем
71
Рис. 17. Содержание железа в водах современных (а) и плиоцен-нижнечетвертичных (б) отложений в зависимости от pH и Eh среды
Содержание железа в воде, мг/л: 7- < 0,1; 2-0,2-1,0; 3- 1,0-10; 4- > 10; 5 — нижняя граница устойчивости воды. Линии равновесия: / и // — растворенного железа (Fe2+ = 0,1 мг/л) соответственно с Fe(OH)1 и Fe2Q3, III—IV— FeS2, соответственно с Fe(OH)3 и Fe2O3
разновалентных пар ионов, находящихся в растворе, сам по себе еще не гидрогеохимическая характеристика среды. Это тем более важно отметить, что для подземных вод района характерно присутствие растворенного органического вещества, прохождение окислительно-восстановительных реакций которого возможно с сохранением валентности других элементов. Для характеристики физико-химических свойств водной среды, кроме прямых количественных ее показателей (Eh, pH), рассчитывалась величина г H2, указывающая на возможность прохождения различных микробиологических процессов. Индекс г H2, представляющий собой отрицательный логарифм концентрации молекул водорода для температуры 5°С, может быть рассчитан по формуле [77]
Eh
г H2 = -+ 2рН.
0,0276
Наиболее высокие значения Eh (248—446 мв) при pH = 6,5 H- 8,2 (г H2 = 20,9-г 32,0) характеризуют явно выраженные окислительные условия поверхностных и неглубоко залегающих грунтовых вод. Самые низкие значения Eh (—130 мв) при pH = 6,1 (г H2 = 7,5) отмечены в водах отложений приамурской свиты и приурочены к центральным частям водоносного горизонта. Такие значения г H2 указывают на восстановительные анаэробные условия. Воды современных четвертичных и неоген-палеогеновых отложений характеризуются промежуточными значениями этих величин (Eh = 88 H- 259 мв, при pH = 5,3 H- 7,8 г H2 = 14,0 H- 20,6).
Своеобразие гидрогеологических и гидродинамических условий артезианских бассейнов рассматриваемого района заключается и в наличии "горизонтальной" гидрохимической зональности, характерной лишь для водоносных горизонтов, имеющих региональное развитие в депрессии. В связи с этим наиболее низкие значения /-H2 свойственны именно центральным частям в пределах одного водоносного горизонта (комплекса).
A.B. Щербаков считает [163], что окислительная обстановка характеризуется значениями Eh больше 250 мв, окислительно-восстановительная - Eh = 250 H- 0, нормально-восстановительная - Eh = 0 н- (-150) мв и 72
резко-восстановительная — Eh = (—150) — (—300) мв и ниже. Однако следует иметь в виду, что восстановительная среда для одного элемента, например, для марганца, может быть окислительной для железа. Следовательно, для четкого разделения геохимической обстановки необходима характеристика водной среды, как минимум двумя величинами — Eh и pH.
Качественное разделение гидрогеохимических обстановок подземных вод можно дать на основании газового состава, некоторых элементов с переменной валентностью или их аутигенных минералов.
Для описываемого района по приведенным выше показателям можно выделить окислительную и восстановительную обстановки водной миграции железа. Окислительная среда характеризуется присутствием в воде растворенного кислорода. Водовмещающие породы при этом имеют охристую окраску различных оттенков благодаря присутствию в них окисных и гидроокисных минералов железа. Железо в условиях окислительной обстановки инертно или мигрирует весьма слабо. Восстановительная обстановка может быть с незначительным присутствием сероводорода и без него. В последнем случае имеем типично глеевую обстановку [108]. Водовмещающие породы при восстановительной обстановке имеют темно-серую и серую окраску, иногда с синеватым или зеленоватым оттенком, главным образом за счет окраски закисных соединений железа и полуразложившегося органического вещества. Биохимическое разложение последнего в бескислородной среде часто приводит к накоплению в водах углекислого газа и сероводорода. Сероводород может расходоваться на восстановление железа до сульфидов. Следует отметить, что восстановительная обстановка даже с незначительным присутствием в водах растворенного сероводорода при высоких (до 300 мг/л) концентрациях СОгсвоб характеризуется сравнительно небольшими концентрациями железа, не превышающими первые десятки миллиграммов в литре воды. Воды глеевой обстановки, без следов сероводорода и с повышенным содержанием свободной углекислоты, характеризуются высоким содержанием закисного железа, достигающего сотни миллиграммов в литре воды. Наличие сероводорода даже в незначительных количествах (до 0,3 мг/л) сдерживает накопление двухвалентного железа в воде, количество которого в таких случаях, вероятно, пропорционально интенсивности протекания процессов противоположного характера. С одной стороны, концентрация двухвалентного железа в растворе определяется гидрокарбонатным равновесием с гидроокисью железа при ведущей восстановительной роли органического вещества [43]:
4Fe(OH)2 +7CO2 + Соргг^ 4Fe2+ +3HCO3" +2H2O.
С другой стороны, в условиях восстановительной обстановки в водоносном горизонте или на ограниченном участке его могут происходить процессы восстановления железа до сульфида. При наличии сульфатреду-цирующих бактерий в воде (Desylfatomaculum и Desulfovibrio) [137]) (рис. 18) процесс можно записать в виде уравнения Fe2+ + 2HCO3 + H2S^. ^tFeS + 2H2CO3. Однако в зависимости от парциальных давлений растворенных в воде газов H2S и CO2 реакция может быть сдвинута вправо или влево. Анализируя физико-химические условия среды основных водоносных горизонтов района, необходимо отметить, что в ряде случаев содержание растворенного железа в водах значительно превышает те концентрации, которые ограничиваются условиями равновесия двухвалентно-
