Равновесие подземных вод с горными породами

Раньше большинство ученых считали, что низкая растворимость подавляющей части горных пород, особенно алюмосиликатных, приводит к тому, что уже на первых этапах взаимодействия воды с горными продами происходит насыщение водного раствора относительно растворяемой горной породы и в дальнейшем, начиная с некоторой глубины, вода практически горную породу не растворяет. Положение изменилось коренным образом после того, как были разработаны новые термодинамические расчета равновесия с горными породами, а также методы физико-химического моделирования эволюции системы вода - порода. В разработку этих методов значительный вклад внесли русские (Д.С. Коржинский, В.А. Жариков, И.К. Карпов, С.А. Кашик и наверное надо сказать что Шварцев=)))) и иностранные (П.Б. Бартон, Р.М. Гаррелс, Ч.Л. Крайст, Х.К. Хелгесон, И. Тарди, Т. Пачес).

Рассмотрим кратко равновесие подземных вод с карбонатами и алюмосиликатами. При этом воспользуемся, как это обычно приня­то, индексом неравновесности (А), который равен

А=lgK/Q

где К — термодинамическая константа реакции растворения породы или минерала; Q — квотант реакции, представляющий собой фак­тическое значение произведения активностей продуктов реакции, отнесенного к произведению активностей исходных веществ. По мере насыщения вод относительно какого-либо минерала индекс неравновесности уменьшается, стремясь к нулю. При пересыщении вод его значения становятся отрицательными, нулевое значение характеризует равновесное состояние. Трудность расчета состоит в определении активности растворенных соединений в водном раство­ре (a_i), которые связаны с аналитически определяемыми концентрациями (с_i) того же соединения через коэффициенты активности (g_i) по выражению

a_i=c_i* g _i

Коэффициенты активности, в свою очередь, зависят от темпе­ратуры и ионной силы раствора.

Важно обратить внимание на четкую, обратно пропорциональную зависимость, имеющую место между индексом неравновесности и общей минерализации воды: по мере увеличения солености раствора степень его насыщения относительно кальцита возрастает и при минерализации 0,6 г/л становится равной нулю, т.е. достигается равновесие. Аналогичная зависимость рассматрива­емого индекса устанавливается и с: по мере увеличения щелочности раствора индекс неравновесности уменьша­ется и при рН > 7,4 становится равным нулю, т.е. достигается равновесие воды с кальцитом.

Таким образом, подземные воды, имеющие минерализацию более 0,6 г/л и рН более 7,4, как правило, насыщены карбонатом кальция, который в этих условиях не только не растворяется, но и, наоборот, высаживается из раствора. Такие насыщенные карбо­натами воды широко развиты и в более глубоких частях земной коры: артезианских бассейнах и гидрогеологических массивах.

Переходя к рассмотрению проблемы равновесия воды с алюмо­силикатами, подчеркнем, что в данном случае мы имеем дело с многокомпонентной сложной системой, насыщенность которой от­дельными элементами может быть понята только в совокупности. Термодинамический анализ показал, что система первичные алюмо­силикаты—подземные воды зоны гипергенеза во всех ландшафтных зонах является неравновесной, и это определяет непрерывность разрушения водой вмещающих коренных пород с образованием продуктов выветривания, устойчивых в соответствующих геохими­ческих условиях и, что крайне важно равновесных с подземными водами. Следовательно, равновесие воды с горными породами носит двоякий характер: система вода -порода неравновесна с эндогенны­ми алюмосиликатами, но, как правило, равновесна с продуктами инконгруэнтного их растворения. Это последнее обстоятельство и определяет состав образующихся продуктов при выветривании гор­ных пород. Другими словами, при выветривании образуются только те соединения, которые равновесны с водой и которые поэтому являются устойчивыми к агрессивному действию подземных вод.

В последнее время нами (кафедрой и Шварцевым) совместно сМ.Б. Букаты современными методами термодинамики с применением ЭВМ установлено, что Даже крепкие рассолы, возникшие более 100 млн. лет назад, нерав­новесны с первичными (эндогенными) алюмосиликатами, встречаю­щимися в терригенных образованиях осадочных пород, а также образующими базальтовые покровы или интрузивные тела. Причина такого положения объясняется богатством осадочных пород орга­ническими веществами, обеспечивающими в процессах катагенеза и метаморфизма непрерывное образование.углекислого газа, выступа­ющего основным нейтрализатором щелочности, образующейся в процессе гидролиза.

Следовательно, не вынос подземными водами продуктов реак­ции гидролиза, хотя это имеет в ряде случаев важнейшее значе­ние, а нейтрализация щелочности углекислым газом или органи­ческими кислотами — вот главная причина того, почему не проис­ходит насыщения воды относительно первичных алюмосиликатов.

Таким образом, неравновесность системы вода —первичные алю­мосиликаты характерна не только для условий зоны гипергенеза, но и для более Глубоких зон осадочных пород. Что касается глубоких зон складчатых областей и районов современного вулканизма, то и здесь, как показывают соответствующие данные, все воды, богатые углекислым газом, неравновесны с алюмосиликатами. И только в случае, когда щелочность подземных вод резко возрастает (рН более 9), а парциальное давление углекислого газа понижается, в ряде случаев возможно установление равновесия воды с Na-алюмосиликатами (альбитом).

Если к сказанному добавить, что морская вода также не насы­щена относительно первичных алюмосиликатов, то без преувеличе­ния можно заключить, что в условиях верхней части земной коры система вода —первичные алюмосиликаты является неравновесной, а следовательно, способной к непрерывному взаимодействию и развитию в течение длительного геологического времени.

Неравновесность системы вода—первичные алюмосиликаты при­водит к непрерывному геологически длительному процессу их ра­створения с образованием все новых и новых разнообразных вто­ричных минералов. При этом в воде концентрируются те химичес­кие элементы, которые не связываются минеральными фазами (хлор,

Натрий, иногда кальций, фтор и др.). Все это определяет целенап­равленное изменение состава подземных вод

Постепенное концентрирование химических элементов в растворе по мере увеличения времени контактирования воды с породой приводит к неравномерному их накоплению. При этом каждому этапу взаимодействия воды с горными породами соответствует определенная ассоциация вторичных образований и определенный химический состав подземных вод.

Все сказанное показывает, что система вода порода является рав­новесно-неравновесной: она неравновесна преимущественно с эндо­генными (первичными) минералами, но всегда равновесна с теми или иными вторичными, т.е. образованными водой. Следовательно, по своему характеру эта система является сложной и противоречивой, что обеспечивает ее геологически длительное развитие.

Поиск по сайту: