Геохимические условия взаимодействия подземных вод с горными породами

Сочетание щелочно-кислотных и окислительно-восстановительных условий среды в основном и создают ту геохимическую обстановку в верхней части земной коры, которая определяет характер взаимодействия воды и горной породы.

О шелочно-кислотной обстановке судят по концентрации водородных ионов. Величина этой реакции - логарифм концентрации ионов (количество молей водородных ионов в одном литре воды), взятый с обратным знаком (pH).
Нейтральные воды характеризуются равной концентрацией Н+ и ОН", а их pH = lg(H+) = lg(10'7) = 7. При кислых водах pH lt; 7; при щелочных pH gt;7.
По величине pH А.И. Перельман (1989) различает: сильнокислотные воды с pH lt; 3. Они распространены широко, но встречаются на небольших площадях, в районах распространения сульфидных и угольных месторождений. Формируются они при окислении сульфидов с образованием серной кислоты. В глубоких горизонтах артезианских бассейнов известны и солянокислые воды. В сернокислых водах хорошо мигрирует большинство металлов (Fe, Си, Al, Zn и другие).
К слабокислым - относятся воды с pH = 3 - 6,5. Эти воды образуются за счет поступления в воду С02 и органических кислот. Слабокислые воды широко распространены в зоне ги- пергенеза, где идет массовое разложение органических соединений. В таких водах хорошо мигрируют металлы в форме бикарбонатов и комплексных соединений с органическими кислотами.
Нейтральные и слабощелочные воды с pH = 6,5 - 8,5 характерны для морей и океанов. Среди подземных вод они формируются в местах распространения изверженных пород и известняков. В этих водах большинство металлов осаждаются в форме гидроксидов, карбонатов и других солей. Анионогенные элементы (Si, Ge, As, V, U, Mo, Se и другие) в этих водах мигрируют сравнительно легко. Образующиеся органические кислоты быстро нейтрализуются минералами, содержащими Са, Mg, Na и К.
Сильношелочные воды с pH 8,5 образуются при растворении соды (NaHC03), реже Na2C03. В щелочных содовых водах легко мигрируют кремнезем, гуматы, алюминаты натрия и другие.
В общем, многие катионогенные элементы образуют более растворимые соединения в кислых средах и менее растворимые в нейтральных и щелочных. Анионогенные элементы, наоборот, лучше мигрируют в щелочных водах.
Окислительно-восстановительная обстановка создает особые, резко обособленные условия взаимодействия с горными породами.
Каждая природная вода характеризуется определенной величиной окислительно-восстановительного потенциала Eh, который представляет собой меру интенсивности присоединения или отдачи электронов при окислительно-восстановительной реакции, представленной электродвижущей силой, выраженной в милливольтах (мВ). Таким образом, Eh является мерой окислительной или восстановительной способности среды. Величина Eh зависит от степени кислотности и щелочности среды, от соотношения концентрации окисляющего и восстанавливающего ионов и от температуры.
В природных условиях А.М. Овчинников выделяет три геохимические обстановки - окислительную, восстановительную и метаморфическую. Каждая из них характеризуется составом растворенных в воде газов и минеральных компонентов.
Окислительную обстановку формируют газы атмосферного происхождения 02, С02, N2 и инертные газы, из них кислород обладает наибольшей окисляющей способностью, его содержание в подземных водах изменяется от 0 до 15 мг/л. В верхней зоне земной коры между величиной Eh и содержанием кислорода установлена прямо пропорциональная зависимость, которая нарушается с изменением кислотно-щелочных условий.
Границы окислительной среды, по рекомендации А.В. Щербакова (1968), могут быть установлены по следующим показателям: верхняя граница - Eh = +1000 мВ при pH lt; 3 и содержании свободного кислорода в воде не менее 5 мг/л; нижняя граница - Eh = +250 мВ при pH = 5,5 - 8,5 и содержаниеи свободного кислорода около 3,5 мг/л.

Глубина зоны окислительной обстановки может достигать 1000 м на крыльях артезианских бассейнов и располагается близко от поверхности в районах распространения болот. При кислородном составе вод создается возможность существования аэробных бактерий, энергично окисляющих органические вещества. Осадочные породы, сформировавшиеся в окислительных условиях, имеют красную, бурую и желтую окраску.
Восстановительную обстановку формируют газы биохимического происхождения СН4, С02, тяжелые углеводы, N2 и H2S. В зависимости от состава газов различают сероводородные (сульфидные) воды, которые характеризуются наличием H2S, HS - местами S'2. Железо и другие металлы образуют труднорастворимые сульфиды. Величина Eh обычно ниже 0, местами до -0,5 - 0,35 В. Цвет пород черный, серый, зеленый.
В восстановительной бессероводородной обстановке характерны глеевые воды. Показателем восстановительной среды служит СН4 и другие углеводороды, а также растворенные органические соединения двухвалентного железа и водорода. В глеевой обстановке легко мигрируют многие металлы, часто в форме органических комплексов. Окраска горных пород белая, сизая, серая, зеленая.
В зависимости от содержания водорода различают слабо восстановительную обстановку (содержание Н2 изменяется от 7 до 10 мг/л, величина Eh близка к нулю), умеренно восстановительную (содержание H2S + HS до 50 мг/л, pH = 5,5 - Eh = 150 мВ) и резко восстановительную, с большими по величине показателями содержания H2S и Eh. В этих водах большую роль играют микробиологические процессы восстановления сульфатов. Содержание H2S достигает 1000 - 2000 мг/л, a Eh ниже нуля, местами до - 500 мВ.
Метаморфическая обстановка характеризуется появлением газов (С02, H2S, Н2, СН4, СО, HCI, HF, 02), образующихся при метаморфизме горных пород в областях вулканической и интрузивной деятельности.
При относительно резком изменении геохимических и термодинамических условий формируются геохимические и термодинамические барьеры. А.И. Перельман (1989) выделяет окислительные, сероводородные, глеевые, щелочные и кислые барьеры. На каждом из этих барьеров из растворов выпадают определенные компоненты, которые не могут существовать в изменившихся условиях. В. Эмонс, Ф.А. Летников и другие говорят о наличии температурных и бароградиентных барьеров.
В общем случае возникновение геохимических барьеров связано с изменением температуры, давления и геохимической обстановки. С наличием геохимических барьеров связаны выпадение из растворов и концентрация тех или иных минеральных систем, в том числе и рудообразование.
Геохимическая обстановка в зоне диагенеза осложняется присутствием живого вещества, представленного микроорганизмами и отмершими остатками растительности и животных. По идее В.И. Вернадского, миграция химических элементов в подземных водах связана с живым веществом, которое обусловливает формирование геохимической среды.
С образованием биологического круговорота атомов в природных системах устанавливаются окислительные или восстановительные среды с присущими им видами бактерий (серобактерий и железобактерий), производящих окисление сероводорода, серы и железа. В восстановительной среде обитают анаэробные бактерии, принимающие участие в процессах де- сульфатизации и денитрификации подземных вод. Из органических веществ в подземных водах отмечаются углерод, азот, гуминовые кислоты, фенолы, нафтенаты и другие.
По данным В.М. Швеца, среднее содержание органического вещества С рг составляет в грунтовых водах 274 мг/л, артезианских 4,85 мг/л, приконтурных водах нефтяных и газоконденсатных месторождений, соответственно, 370 и 326 мг/л.

<< | >>

↑

Источник: Гришанков Г. Е.. Литосфера: структура, функционирование, эволюция.. 2008

Еще по теме Геохимические условия взаимодействия подземных вод с горными породами:

- География - Землеведение - История Земли -