Этапы формирования химического состава природных вод

В этом процессе можно выделить 3 основные этапа, на каждом из которых определяющую роль играют различные факторы.

Первым этапом является взаимодействие поверхностных вод с атмосферой. Ещё находясь в атмосфере, мельчайшие капли воды при своём падении извлекают из воздуха различные вещества, в том числе и радионуклиды

Общее количество вещества, растворённого и взвешенного в дождевой воде, колеблется в пределах 10-20 мг/л. Это прежде всего газы -азот, кислород, углекислый газ, оксиды серы и азота, ионы солей. Кроме того, дождевые воды содержат микроорганизмы и пыль в виде механических примесей.

Второй этап формирования - это взаимодействия выпавших атмосферных осадков с почвенными покровами, при этом важную роль играет наличие растительности и её характер. Вода, фильтруясь через почву, выщелачивает её растворимые части, изменяя при этом свой состав: увеличивается содержание изотопов и органических веществ, изменяется содержание растворённых газов.

Приобретаемый при соприкосновении с почвой химический состав воды зависит от характера почвы. Если вода фильтруется через бедные солями торфянисто-тундровые или болотные почвы, то она обогащается большим количеством органических веществ и лишь незначительно - ионами. Больше всего ионами обогащают чернозёмные и солонцеватые почвы. При взаимодействии воды с почвой, кроме растворения солей, наблюдаются явления адсорбции и ионного обмена. Академиком К.К. Гедройцем разработано учение о почвенном поглощающем комплексе, состоящем из органических и минеральных соединений. Каждому типу почв свойственен определенный «поглощающий комплекс». Значительной газообменной способностью обладают многие почвы, в особенности чернозем и торф, что связано с наличием в них гуминовых кислот.

При взаимодействии воды с почвой содержание кислорода в воде уменьшается, а углекислого газа увеличивается, что объясняется окислением органических веществ.

Третьим и основным этапом формирования химического состава природных вод является их взаимодействие с минералами литосферы. Породы, слагающие земную кору, могут обогащать природные воды солями в результате выветривания изверженных и образовавшихся из них обломочных пород и растворения солей, находящихся в осадочных породах.

Основная часть минералов, образовавшихся в глубинных слоях Земли, попав в условие биосферы, начинают постепенно изменяться и разрушаться. Это разрушение называют выветриванием. В зависимости от того, к какому агенту принадлежит ведущая роль в разрушении горных пород, различают:

- Физическое выветривание;

- Химическое выветривание;

- Биологическое выветривание,

которые обычно происходят одновременно.

Химическое выветривание горных пород происходит под действием воды и воздуха в результате различных процессов, прежде всего

- Растворения;

- Гидролиза;

- Гидратации;

- Ионного обмена;

- Окисления;

- Карбонатизации;

Для минерализации воды особое значение имеет выветривание различных алюмосиликатов, которые разлагаются главным образом при гидролизе.

Гидролиз полевого шпата (ортоклаза)

K₂O×Al₂O₃ ×6SiO₂ + 3H₂O ®2KOH + Al₂O₃ ×6 SiO₂ ×2H₂O (каолин)

Разложение плагиоклаза под действием воды, содержащей углекислый газ, может быть представлено следующей схемой

CaO×2Al₂O₃ ×4SiO₂ + 2CO₂ + 5H₂O ®Ca(HCO₃)₂ + 2Al₂O₃ ×4SiO₂ ×4H₂O

Выветриванию подвергаются и сульфиды металлов, причем в этом случае процесс ускоряется за счет окислительного действия кислорода. В результате окисления сульфидов тяжелых металлов получаются сульфаты металлов или серная кислота, например:

PbS + 2O₂ ® PbSO₄

FeS₂ + 7O₂ +2H₂O ® 2FeSO₄ +2H₂SO₄ и др.

Сульфаты железа(II) окисляются, образуя Fe(OH)₃ и серную кислоту.

4FeSO₄ + O₂ +10H₂O ® 4 Fe(OH)₃+4H₂SO₄

Серная кислота энергично взаимодействует с горными породами, особенно с карбонатными, при этом образуются более растворимые по сравнению с карбонатами сульфаты и углекислый газ.

CaCO₃ + H₂SO₄ ® CaSO₄ + H₂O + CO₂ ­

Растворимыми продуктами процессов выветривания являются соли: хлориды, сульфаты, гидрокарбонаты щелочных и щелочноземельных металлов и их ионы, а также производные кремниевой кислоты и микроэлементы.

Продукты выветривания в течение геологических периодов извлекались текучими водами. Часть ионов при этом аккумулировалось в бессточных областях, другая выносилась в океан.

Наряду с многовековой аккумуляцией ионов в океане происходило и происходит в настоящее время выделение их из морской воды в виде солей и осадков.

В результате геотектонических причин, выпавших на дно соли со временем оказались на суше, образуя залежи осадочных пород. Таким образом, между материком и океаном осуществляется непрерывный обмен солей.

Помимо прямого растворения в воде, породы могут обмениваться своими ионами с ионами воды.

В формировании анионного состава природных вод важную роль играли выделяющиеся при вулканических извержениях газы H₂S,NH₃,HCl,CO_2.Свой отпечаток на формирование химического состава природных вод наложило и развитие жизни на земле. Разложение в почвах растительных остатков, приводящее к образованию углекислого газа и органических кислот, ускорило процессы химического растворения минералов в почвах и подстилающих породах. Минерализации природных вод способствует и деятельность почвенных микроорганизмов, перерабатывающих органические вещества.

Непосредственное воздействие на химический состав природных вод оказывает хозяйственная деятельность человека, т.к. сбрасываемые в водоемы бытовые и промышленные сточные воды резко изменяют естественный химический состав вод. Особенно большое влияние на изменение химического состава природных вод оказывают сточные воды целлюлозно-бумажной, химической и нефтехимической промышленности, предприятий черной и цветной металлургии, промышленно-бытового хозяйства.