Чтобы охарактеризовать все разнообразие химического состава природных вод, прежде всего подземных, А.И.Перельманом предложена наиболее детальная их геохимическая классификация. В ней находят место также поверхностные материковые и океанические воды.
Геохимическая классификация вод
Она включает 6 основных классификационных параметров, позволяющих выделять группы, типы, классы, семейства, роды и виды вод.
Общая ее схема имеет следующий вид:
I группа (по температуре):
1) холодные и слаботермальные (< 40оС)
2) горячие и умеренно перегретые (40-200оС)
3) сильноперегретые (200-375оС)
4) флюидные (> 375оС)
II тип (по окислительно-восстановительным условиям):
1) кислородные воды (окислительные)
2) сероводородные (сульфидные)
3) глеевые (восстановительные бессероводородные)
III класс (по кислотно-щелочным условиям):
1) сильнокислые (рН<3)
2) слабокислые (3-6,5)
3) нейтральные и слабощелочные (6,5-8,5)
4) сильнощелочные (>8,5)
IV семейство (по общей минерализации):
1) ультрапресные (<0,1 г/л)
2) пресные (0,1-1 г/л)
3) солоноватые (1-3 г/л)
4) соленые (3-36 г/л)
5) рассолы (>36 г/л)
V род (по содержанию растворимых органических веществ - РОВ):
1) богатые РОВ гумусового ряда
2) богатые РОВ нефтяного ряда
3) бедные РОВ
4) промежуточные по содержанию РОВ
VI вид (по ионному составу): (обычно анионному)
1) гидрокарбонатные (карбонатные)
2) сульфатные
3) хлоридные
Далее возможно выделение подвидов по катионному составу и разностей по их соотношениям.
Температура, по которой выделяются группы вод, несомненно, является важнейшим параметром, определяющим условия миграции и формы нахождения элементов в водах и скорость в них химических реакций. К собственно гидросфере относятся главным образом холодные и слабо термальные воды и отчасти горячие и умеренно перегретые, встречающиеся среди подземных вод. Граничная Т (40оС) для этих двух классов это так называемая характерная температура Менделеева, при достижении которой происходит резкое изменение ряда физических свойств вод, в частности электропроводности, эта температура является приблизительной границей зоны гипергенеза. Еще один важный температурный рубеж это критическая Т, выше которой не возможно существование жидкой воды; для чистой вода она составляет 375оС, а для сильноминерализованной поднимается до 450оС.
Окислительно-восстановительными условиями определяется геохимическая обстановка вод, возможность элементов мигрировать или осаждаться в той или иной форме. На величину Eh природных вод влияют свободный О2, Н2S, Fe2+, Fe3+, Mn2+, Mn4+, V3+, V5+, H+, органические соединения и другие. Связь Eh и способности образования растворимых форм и следовательно миграции элементов можно продемонстрировать на следующих примерах. При низкой величине Eh в северных болотах, некоторых подземных водах характерны восстановленные формы катионов Fe2+, Co2+, Ni2+, что определяет их способность к миграции. Напротив в богатых кислородом щелочных почвенных и грунтовых водах степей и пустынь образуются трудно растворимые минеральные формы Fe3+ и Co3+, но в этой обстановке характерны растворимые комплексные анионы Se, Mo, U.
Поверхностные и грунтовые воды, содержащие свободный О2, имеют Eh от +0,15 до +0,700 В. Трещинно-грунтовые воды изверженных пород даже на глубине 250-300 м имеют Eh более 0. Для подземных вод, связанных с битуминозными породами и нефтяными залежами, Eh значительно ниже 0 (до -0,5), при этом происходят процессы восстановления ионов SO42-, Fe3+..
Для типа кислородных вод характерно присутствие свободного О2и других сильных окислителей. Многие элементы (Fe3+, Cu2+, S6+ и т.д.) находятся в высоких степенях окисления. Однако, например для железа форма нахождения сильно зависит от рН раствора, в зоне окисления сульфидных месторождений при рН=1-2 (сильнокислая среда) Fe2+ может находится и в двухвалентной форме. Нижний предел окислительной обстановки в водах зависит от рН: в кислой среде Eh>0,4, в щелочной - Eh>0,15. Цвет осадочных пород, формирующихся в окислительной обстановке, красный, бурый, желтый.
Два типа восстановительных вод: сероводородный и глеевый, различаются по сути по наличию или отсутствию H2S. Первые характеризуются наличием H2S, HS-, местами S2-. Fe и другие металлы не мигрируют, а образуют не растворимые сульфиды. Величина Eh составляет <0 и до -0,5-0,3. Окраска пород - черная, серая, зеленая. Глеевые воды характерны для зон гипергенеза. Показателем восстановительной среды является СН4 (метан) и другие углеводороды, растворенные органические соединения. Миграция многих металлов происходит в форме органических комплексов. Окраска пород белая, сизая, серая, зеленая.
При смене окислительно-восстановительных условий возникают геохимические барьеры: окислительный, для которого характерно образование гидроксидов Fe и Mn и самородной S, и восстановительные: сероводородный, на котором происходит отложение сульфидов и самородных Au, Ag, Se, и глеевый, на котором осаждаются самородные Cu, Au, и др.
Щелочно-кислотные условия. Многие катионогенные элементы образуют растворимые соединения в кислых водах и менее растворимы в нейтральных и щелочных (Ca, Sr, Ba, Cu, Zn, Fe2+, Mn, Ni, Co). Анионогенные элементы легче мигрируют в щелочных водах (Cr6+, Se6+, Mo6+, V5+, As5+).
Сильнокислые воды распространены широко, но на небольших площадях, их кислотность обусловлена окислением пирита и других дисульфидов, приводящему к образованию свободной H2SO4. В таких сернокислых водах легко мигрирует большинство металлов (Fe, Cu, Al, Zn). Формирование слабокислых вод связано с разложением органических веществ с образованием органических кислот. Если подвижных сильных катионов мало, то кислотность нейтрализуется не полностью, и Среда слабо кислая. Металлы в таких наиболее широко распространенных водах находятся в форме растворимых бикарбонатов и комплексных соединений с органическими кислотами.
Нейтральные и слабощелочные воды менее благоприятны для миграции металлов, из которых они осаждаются в форме гидроксидов, карбонатов и других солей, но в них сравнительно легко растворяются и мигрируют анионогенные элементы (Si, Ge, As, V, U, Mo, Se). Такие воды характерны для морей и океанов, аридных ландшафтов, вод известняков и изверженных пород. Сильнощелочные воды обязаны своей реакцией присутствию соды - NaHCO3, реже Na2CO3. В содовых водах легко мигрируют Si, Al, Mо. Легко растворимы и элементы, способные образовывать растворимые карбонатные комплексы, такие как Cu, Zn, Be, Y, HREE, Sc, Zr.
При смене условий происходит формирование щелочного (повышение рН) или кислого (понижение рН) геохимических барьеров. На первом отлагаются катионогенные элементы, на втором анионогенные. Такие барьеры характерны не только для гипергенных, но и гидротермальных вод.
Границы между семействами вод по общей минерализации проведены условно и различаются у разных авторов.
Ультрапресные воды включают атмосферные осадки, поверхностные и грунтовые воды в районах влажного климата. Пресные характерны для большинства рек и озер влажного климата, многих грунтовых и пластовых вод. Они главный источник питьевого и технического водоснабжения. Солоноватые воды широко распространены в степях, пустынях. Они насыщены CaCО3, MgCO3, имеют низкую растворяющую способность, вызывают карбонатизацию и огипсование почв и пород. К соленым водам относятся океанические, многие поверхностные и подземные воды материков, они наиболее широко распространены. Рассолы характерны для соленых озер, глубоких горизонтов подземных вод, среди них преобладают хлоридные рассолы.
Среди растворимых органических веществ (РОВ) выделяют вещества гумусового и нефтяного ряда. Гумусовые вещества это специфические высокомолекулярные соединения, имеющие темную окраску. РОВ нефтяного ряда это различные углеводороды и их производные. Наиболее высоко концентрация РОВ гумусового типа в реках и озерах влажного климата, что фиксируется по их темной окраске, например в водах Амазонки они преобладают над растворенными минеральными соединениями. РОВ нефтяного ряда типичны для глубоких подземных вод нефтегазовых месторождений. Бедные РОВ воды типичны для горных рек, высокогорных озер, изверженных пород, аридных районов. К промежуточным относятся океанические воды.
Значение РОВ определяется тем, что многие элементы образуют растворимые соединения с участием органических веществ, например, органо-минеральные формы Au. Входя в состав органического соединения, элемент практически утрачивает свои индивидуальные свойства, и разные элементы мигрируют с близкой интенсивностью, определяемой миграцией РОВ.
Ионный состав природных вод определяют элементы с высокими кларками, к ним относятся - O, Ca, Mg, Na, K, Cl, S и др. В зонах гипергенеза, также как во всех материковых водах наиболее распространены три катиона и три аниона: Ca2+, Mg2+, Na+, HCO3-, SO42-, Cl-, в гидротермах возрастает роль других ионов, например, F-.
По анионному составу воды делятся на:
1) гидрокарбонатные
2) сульфатные
3) хлоридные.
Возможен и промежуточный состав.