книги из ГПНТБ / Сыдыков, Ж. С. Гидрохимические классификации и графики

В В Е Д Е Н И Е

Изучение химического состава подземных вод при гидро­ геологических исследованиях стало обязательным. Без него невозможно составить ни одно серьезное обобщение, нельзя выяснить изменение качеств и свойств подземных вод по пло­ щади, глубине и во времени и установить условия их форми­ рования, необходимые для решения различных практиче­ ских вопросов. При таких обобщениях всегда возникает необ­ ходимость хотя бы кратко, но достаточно четко дать основную характеристику полученных химических анализов вод, провести их сопоставление, систематизацию и графиче­ ское оформление.

К настоящему времени советскими и зарубежными уче­ ными предложено множество классификаций химического состава подземных вод и графиков, основанных на самых разных принципах. Некоторые из них уже не соответствуют современному уровню развития гидрогеологической науки

ипрактики, но все еще используются отдельными специали­ стами при обобщениях, а другие неправильно истолковыва­ ются при решении конкретных генетических, методических

ипрактических вопросов. Нередко вводятся новые частные классификации и графики без достаточного теоретического

ианалитического обоснования, повторяющие основную сущ­ ность и характер ранее разработанных и потому не оправды­ вающие своего назначения. В связи с этим возникла необхо­ димость научного обобщения их с тем, чтобы систематизиро­ вать все имеющиеся гидрохимические классификации и гра­

фики для облегчения последующей научной работы над во­ просами, связанными с дальнейшим их совершенствовани­ ем, помогать специалистам правильно понимать и приме­ нять наиболее рациональные классификационные схемы и графики.

В настоящей монографии принципы разработки гидрохи­ мических классификаций и графиков и примеры их исполь­

3

КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ИДЕЙ И МЕТОДОВ ИЗОБРАЖЕНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ПРИРОДНЫХ ВОД

Истоки практических знаний о водах как о сложных при­ родных растворах уходят в далекое прошлое. Накаплива­ лись они в процессе солеварения из соленых вод. Но способы химических анализов вод и систематизация их результатов появились значительно позже. Некоторые сведения о качест­ венном определении химического состава природных вод пу­ тем кипячения и выкристаллизовывания солей были опубли­ кованы алхимиком Л. Турнейером в 1572 г.

Углубленное изучение и систематизация химического состава вод как растворов связаны с именем великого учено­ го М. В. Ломоносова, который в ряде работ («Элементы мате­ матической химии», 1741; «Введение в истинную физиче­ скую химию», 1752; «Опыт физической химии», 1754 и др.) разработал теоретические основы физико-химических иссле­ дований и количественных химических анализов. В своей практической деятельности он поставил задачу: «Испыты­ вать все, что только можно: измерять, взвешивать, опреде­ лять вычислением». Несколько позже известный француз­ ский химик А. Лавуазье (1773 г.) и шведский химик Т. Берг­ ман (1776 г.) занимались определением химического состава вод. В то время химические анализы выражались в солях в гранах аптекарского фунта. В аптекарском фунте России (358,32 г), Франции (367,13 г), Англии (373,24 г), Австралии (420,05 г) содержалось 5760 гран.

В дальнейшем в связи с возрастающим использованием минеральных вод для лечения увеличивалось количество анализов, особенно в России и Германии. В России химиче­ ские анализы кавказских минеральных вод и других «цели­ тельных» источников регулярно проводились с 1798 г. Меди­ цинской коллегией. Результаты их были обобщены, система­ тизированы и опубликованы в 1809 г. В. М. Севергиным в книге «Опыт минералогического землеописания Российского

5

государства». В ней автор впервые разработал гидрохимиче­ скую классификацию, выделив по химическому составу де­ сять групп минеральных вод: «1) известковые и селенито­ вые, 2) щелочные, или минеральную щелочную соль в себе

содержащие, 3) горькие, содержащие в себе горькую и глауберовую соль, 4) квасцовые, 5) соляные, или поваренную соль содержащие, 6) нефтяные, 7) серные, 8) купоросные, 9) угле­

кислые, 10) теплые». В последующие годы химические анали­ зы минеральных вод Северного Кавказа систематизи­ ровались Ф. Гаазом в 1810 г., в трудах А. Нелюбина (1824, 1825), Ф. Конради (1825, 1831), П. Савенко (1828) и др. Типи­ зацию минеральных вод по химическому составу во Фран­ ции производил в 1779 г. Ле Руа, а в Германии результаты 242 анализов минеральных источников систематизировал в 1815 г. К. Гофман.

Первую научную классификацию природных вод по хи­ мическому составу создал в 1847 г. известный американский геохимик Ф. Кларк.

Исходя из окисно-ангидридной формы выражения анали­ зов, он впервые разделил воды по трем основным призна­ кам: солености (сумма растворенных в воде солей), жест­ кости (сумма солей щелочноземельных элементов) и щелоч­ ности (сумма солей слабых кислот). Однако недостатки в самой основе окисной формы не дали возможности сопоста­ вить анализы различных типов вод между собой. Поэтому классификация Ф. Кларка мало использовалась для система­ тизации химического состава вод и не смогла ликвидировать произвольности в истолковании результатов анализа.

В 1864 г. австро-венгерский ученый К. Тан предложил эквивалентную форму выражения анализа воды, научно обоснованную несколько позже С. Аррениусом, В. Остваль­ дом и др. Они показали, что в водном растворе солевые комп­ лексы находятся не в виде солей или окислов, как это пред­ полагалось ранее, а в диссоциированном состоянии — в виде анионов и катионов.

Другим важным фактором, повлиявшим в дальнейшем на научное истолкование результатов гидрохимических ана­ лизов, была разработка определенной системы в комбиниро­ вании кислот (или анионов) и оснований (или катионов). Во второй половине XIX в. почти одновременно были предложе­ ны два метода такого комбинирования—Р. Бунзена (1874 г.) и Р. Фрезениуса (1876 г.). Метод Р. Бунзена был основан на последовательности выпадения в осадок солей при выпарива­ нии раствора, а метод Р. Фрезениуса — на последовательно­ сти образования химических соединений по относительной реактивной силе кислот и оснований.

6

Указанные принципы комбинирования имели большое значение для объективного представления о солевом составе вод. Это было тем более важно, если учесть, что в прошлом столетии анализы воды выражались преимущественно в раз­ личных комбинациях солей, и оттого, в какой последователь­ ности производилось комбинирование присутствующих в во­ де катионов (натрия, кальция и магния) и анионов (хлора, радикалов серной, угольной и других кислот), получались совершенно различные соли. В частности, Н. Н. Славянов (1932) приводит интересный пример изменения наименова­ ний минеральных источников Железноводска при различном комбинировании отдельных радикалов в соли. Считая глав­ ной составной частью этих вод железо и соединяя щелочи с радикалом серной кислоты, а щелочные земли с угольной кислотой, некоторые исследователи называли их щелочно­ железистыми с преобладанием глауберовой соли и извести. Противоположные соединения радикалов давали основание другим исследователям считать их щелочно-железистыми с преобладанием гипса и соды. Третьи именовали их землисто­ железистыми, углекисло-железистыми и т. д.

Применение системы комбинирования радикалов по мето­ дам Р. Бунзена и Р. Фрезениуса вносит определенную строй­ ность в изображение химического состава вод и позволяет проводить их сопоставление. Но все же и при этих методах мы получаем лишь гипотетические комбинации солей в при­ родных водах и недостаточно уверены в соответствии этих комбинаций с действительностью. К тому же некоторая про­ извольность в наименовании солей получается и при исполь­ зовании метода Р. Бунзена. В этом отношении принцип Р. Фрезениуса оказался более совершенным и поэтому он в дальнейшем был положен в основу построения различных классификационных схем.

Таким образом, два важных открытия—принцип Р. Фре­ зениуса об определенной последовательности комбинирова­ ния и правило такого комбинирования в эквивалентном ко­ личестве по методу К. Тана — создали истинную научную основу для разработки гидрохимических классификаций природных (в том числе подземных) вод.

Первой научно обоснованной гидрохимической классифи­ кацией была классификация Ч. Пальмера, опубликованная в Америке в 1911 г. и получившая широкое применение во многих странах, в том числе и у нас, особенно при системати­ зации химического состава нефтяных вод. Она основана на использовании так называемых «характеристик Пальмера», представляющих собой солевые группы в виде суммы экви­ валентов, полученные комбинированием отдельных ионов и

7

выражающие определенные химические свойства вод, по Ф. Кларку (соленость, жесткость, щелочность, кислотность). Принцип комбинирования отдельных ионов в группы при изображении химического состава подземных вод, впервые использованный Ф. Кларком, получил потом широкое при­ менение в исследованиях Дж. Роджерса (1917 г.), в работах А. С. Уклонского (1925), Е. Бартоу (1927), Н. И. Толстихина (1931, 1937), Н. Н. Славянова (1932), В. А. Приклонского (1935), В. А. Сулина (1935, 1946) , Р. Штумпера

(1935) и др.

Другим важным направлением в области систематизации химического состава подземных вод были классификации попреобладающим ионам (анионам и катионам). Первым спе­ циалистом, успешно использовавшим этот принцип примени­ тельно к минеральным водам, был В. С. Садыков (1916), ко­ торый по содержанию основных ионов с учетом общей мине­ рализации, «специфических» (наличие фармакологически активных веществ), «неспецифических» и газовых компонен­ тов разделил все минеральные воды на 49 групп. Эта идея позже была использована В. А. Александровым (1932) при разработке гидрохимической классификации минеральных вод. Опубликованная в 1934 г. и получившая широкую изве­ стность химическая классификация С. А. Щукарева, разде­ лившего все минеральные воды также на 49 классов, почти полностью повторила классификацию В. С. Садыкова, но без учета газового состава, фармакологически активных компо­ нентов и минерализации вод.

Несколько иную вариацию ионно-процентной формы пре­ обладающих компонентов положил в основу классификации химического состава природных вод Ф. В. Кларк (1924 г.) в своих исследованиях по геохимии. Эта вариация, абстраги­ руя величину минерализации, дала возможность отождеств­ лять химический состав вод различных типов и минерализа­ ции. Классификация Ф. В. Кларка и ее видоизменения были положены в дальнейшем в основу гидрохимических классификаций многих исследователей: Г. А. Максимо­ вича (1944), Т. П. Афанасьева (1947), К. В. Филатова 1948), В. А. Приклонского (Приклонекий, Лаптев, 1949), А. А. Бродского (1953), М. Е. Альтовского и В. М. Швец

1956) и др.

Ряд исследователей, считая, что соли являются главным источником, определяющим состав вод, и стремясь найти оп­ ределенную генетическую связь между их химическим соста­ вом и солевыми компонентами водовмещающих пород, наря­ ду с преобладающими ионами за основу своих гидрохимиче­ ских классификаций принимали в качестве одного из

8

основных критериев еще и солевую форму выражения анали­ зов или характерных соотношений, указывающих на наличие тех или иных специфических в данной обстановке солей. Эта идея была использована еще в первых работах Н. С. Курни­ кова (1896—1897) по изучению условий образования и хими­ ческого состава вод солевых озер, а позже его последователя­ ми (Кротов, 1930; Валяшко, 1935, 1952, 1958; Эпштейн, 1939; Левченко, 1948; Бергман, 1954 и др.).

Ионный и солевой принцип применительно к минераль­ ным водам был использован Н. С. Звоницким (1931) при пост­ роении классификации, в которой в соответствии с принятым' принципом наряду с названием вод по основным ионам были сохранены и традиционные названия по гипотетическим со­ лям (соленые, горькие, гипсовые, глауберовые и др.). Но в наиболее стройной форме этот принцип был заложен в клас­ сификациях В. А. Сулина (1946) и О. А. Алекина (1946), раз­ работанных одновременно и получивших широкую популяр­ ность среди гидрогеологов. Подробное изложение этих клас­ сификаций будет дано ниже. Здесь лишь отметим, что их различные вариации в дальнейшем освещались в трудах ря­ да исследователей (Тагеева, 1955, 1962; Каменский, 1958;

Посохов, 1961, 1965; Сыдыков, 1964, 1966 и др.).

К особой группе принадлежат гидрохимические класси­ фикации, используемые для оценки лечебных свойств под­ земных минеральных вод, в которых помимо их ионного или солевого состава учитываются бальнеологически ценные эле­ менты и соединения. К этой группе в наиболее обоснованной форме относится получившая широкую известность в СССР' классификация В. А. Александрова (1932), несколько изме­ ненная и дополненная впоследствии (Александров, 1956). В ней кроме пяти классов вод, различающихся по ионному сос­ таву, минеральные воды разделены по особым качествам в зависимости от наличия активно действующих на организм человека микроэлементов (железистые, мышьяковистые, йо­ до-бромные, кремнистые и с другими активными ионами). В настоящее время для типизации лечебных минеральных вод в СССР принята более совершенная классификация В. В. Иванова и Г. А. Невраева (1964).

Подобные классификации, но разные по принципу по­ строения существуют в Западной Европе и США. Среди них наиболее часто применяется классификация Е. Гинца и Л. Грюнхута, приведенная в работе Р. Кампе (1937). В 1956 г. появилась новая французская классификация лечебных ми­ неральных вод (по Г. Жиро и И. Вер), а несколько позже (1963 г.) — чехословацкая классификация О. Хыне.

9;