3а. физические и физико химические свойства подземных...

Составитель: Н.В. Осинцева

Источники:Всеволжский В.А. Основы гидрогеологии. М.: Изд-во МГУ, 2007.- 448 с.

Леонова А.В. Основы гидрогеологии и инженерной геологии. Томск: Изд-во ТПУ, 2011.- 147 с.

Физические и физико-химические свойства подземных

вод

конспект лекций

Физические свойства подземных вод

Вода – уникальное химическое соединение. Большинство свойств воды аномальны:O Вода существует в трех агрегатных

состоянияхO Температура плавления по аналогии с

химическими аналогами, должна составлять –100°С (на самом деле 0°C)

O Температура кипения по аналогии с химическими аналогами, должна составлять –80°С (на самом деле +100°C)

Уникальность физических свойств воды

O Плавление воды сопровождается не расширением, как у большинства соединений, а сжатием

O Наибольшей плотностью вода обладает при температуре +4°С, а не 0°С, как это можно было бы предположить

O Вода растворяет почти все вещества, кроме жиров и углеводов

O Вода обладает большой теплоемкостьюO Вода обладает большим поверхностным

натяжениемO Вязкость воды очень сильно зависит от

давления

Водородные связиПричина необычных свойств воды кроется в своеобразном строении ее молекулы, а именно – в наличии водородной связи

Энергия водородной связи значительна и может изменяться от 17 до 33 кДж/моль

Агрегаты (ассоциаты) водыhttp://samlib.ru/o/oleg_w_m

Жидкая вода состоит из льдоподобных структурных ассоциатов и является переходным веществом от кристаллического к жидкому

Лед имеет кристаллическую решетку в форме тетраэдра

Образование или разрушение льдоподобных ассоциатов – причина аномальных свойств воды по сравнению с ее химическими аналогами, поскольку на разрыв водородных связей требуется дополнительная энергия.

Причина аномальных свойств воды

Физические свойства воды

O ТемператураO ПрозрачностьO ЦветO ЗапахO ВкусO ПлотностьO СжимаемостьO ВязкостьO ЭлектропроводностьO Радиоактивность

Температура подземных вод

Диапазон изменения известных температур подземных вод на Земле составляет около 400°:

от –5°С (в районах развития многолетней мерзлоты) до 370°С («черные курильщики», глубинные воды областей вулканической деятельности).

Обычная температура грунтовых вод: от 3 до 12°С.

Температура артезианских вод достигает 100°С и более.

Питьевая вода является наиболее вкусной при температуре 7-11°С.

Для лечебных целей (принятия ванн) наиболее ценной является вода с температурой 35-37°С.

Классификация подземных вод по температуре (Щербаков, 1979)

Балл

Температурные типы вод

Степень нагретости t, °С Физические и биохимические критерии температурных границ

1 Переохлажденные

Исключительно холодные

Ниже 0 Переход в твердое состояние

2 Холодные Весьма холодные 0–4 3,98°С – температура максимальной плотности воды

3 То же Умеренно холодные 4–20 Единица вязкости (сантипуаз) определена при температуре 20°С

4 Термальные Теплые 20–37 Температура человеческого тела – около 37°С

5 То же Горячие 37–50 Оптимальная температура для роста бактерий

6 То же Весьма горячие 50–100 Переход в парообразное состояние

7 Перегретые Умеренно перегретые 100–200

Термометаморфизм (гидролиз карбонатов с выделением СО2,

генерация абиогенного H2S и

др.)8 То же Весьма перегретые 200–

375Процессы углефикации органического вещества и формирования углеводородов

Прозрачность/мутность подземных вод

Зависит от количества растворенных в них минеральных веществ, содержания механических примесей, коллоидов и органических веществ.

Мутность обусловлена наличием взвешенных частиц величиной более 100 нм (10-7м) и выражается их массой на единицу объема воды (мг/дм3).

Прозрачность – величина, обратная мутности. Обусловлена наличием в воде растворенных минеральных и органических веществ и коллоидов.

Прозрачность измеряется предельной высотой столба воды (см) в градуированном цилиндре с плоским дном, при которой возможно чтение стандартного шрифта, расположенного на расстоянии 4 см от дна цилиндра, или виден крест с толщиной линии 1 мм.

Более точно оценка прозрачности (мг/дм3) проводится фотометрическим методом - сравнением со стандартными эталонными суспензиями каолина.

Прозрачность/мутность подземных вод

Вода, используемая для хозяйственно-питьевого водоснабжения, должна иметь прозрачность «по шрифту» не менее 30 см и «по кресту» не менее 300 см, по стандартной шкале — не более 1,5 мг/дм3.

Характеристики визуального определения мутности/прозрачности воды:

Oпрозрачная,Oслабоопалесцирующая,Oопалесцирующая,Oслегка мутная,OмутнаяOсильно мутная

Цвет подземных водОбычно подземные воды бесцветны. Но в зависимости от химического состава и наличия примесей они могут приобретать различную окраску:

O Голубоватый оттенок – жесткая водаO Зеленовато-голубоватый оттенок – закисное железо,

сероводородO Зеленоватый оттенок – микроводорослиO Красноватый оттенок – микроорганизмы (водоросли)O Желтоватый оттенок – органические гуминовые

соединения, фульвокислотыO Сероватый оттенок – взвешенные минеральные частицы.

Цветность определяют фотометрически в градусах цветности по шкале стандартных растворов (смесь бихромата калия и сульфата кобальта), имитирующих цвет природной воды.

Запах подземных вод

Запах подземные воды имеют не всегда. Запах чаще всего связан с деятельностью бактерий, разлагающих органические вещества. Интенсивность запаха определяют органолептически при температуре 20° и 60°С по шкале:

O 0 – запаха нет,O 1 – очень слабый запах, O 2 – слабый, O 3 – заметный,O 4 – отчетливый, O 5 – очень сильный.

Запах определяют в соответствии с ощущениями (гнилостный, землистый, хлорный и т.д.). Питьевая вода не должна иметь запаха.

Вкус подземных водВкус подземных вод зависит от содержания в них газов, минеральных и органических веществ.

Все другие виды вкусовых ощущений – привкусы. Например: металлический, содовый, ржавый, чернильный и т.д.

Примеси придают воде различные вкусы и привкусы: O Сладкий вкус – органические вещества, хлорид натрия (до 500 мг/л)O Соленый вкус – хлорид натрия (более 500 мг/л)O Горький вкус – сульфаты магния и натрияO Ржавый, чернильный привкус – ионы железа. Приятный свежий привкус воде придают гидрокарбонаты кальция и магния, а также свободная углекислота.

Вкус воды

соленый

кислый горький сладкий

Плотность и сжимаемость подземных вод

Плотность воды - отношение ее массы к объему при определенной температуре. Она зависит от температуры, количества растворенных веществ и взвешенных частиц.

Плотность подземных вод обычно изменяется от 1,0 до 1,4 г/см3. Очень высокой плотностью обладают рассолы (в Иркутском артезианском бассейне до 1,5 г/см3).

Сжимаемость воды - изменение объема под действием давления. Степень сжимаемости зависит от количества растворенных газов, температуры и химического состава подземных вод.

Вязкость подземных водВязкость (внутреннее трение) характеризует внутреннее сопротивление частиц жидкости ее движению. Зависит от температуры воды и количества растворенных в ней солей.

O Паскаль-секунда (Па·с) – вязкость такой среды, в которой при давлении сдвига 1 Па разность скоростей ламинарного движения жидкости на расстоянии 1 м составляет 1 м/с.

O Сантипуаз (1сП=10–3 1Па·с) – вязкость чистой воды при 20°С.

Вязкость увеличивается с увеличением минерализации, уменьшается с увеличением температуры.

Вязкость чистой водыпри 0°С 1,79 сПпри 100°С 0,28 сП

Теплоемкость и электропроводность подземных вод

Теплоемкость воды в 5–30 раз выше, чем у других жидких и твердых веществ. Это свойство обеспечивает уникальную способность поглощать (или отдавать) максимально возможное количество тепла с минимальной скоростью.

Электропроводность подземных вод зависит от ионно-солевого состава и оценивается величиной удельного электрического сопротивления.

Удельное сопротивление пресных подземных вод составляет от 3·10–5 до 3·10–3 Ом·м. В рассолах оно возрастает до 5·10–3–1,2·100Ом·м.

На этом свойстве основан прибор для измерения степени минерализации воды – солемера.

Диэлектрическая проницаемость подземных вод

Диэлектрическая проницаемость зависит от поляризационных свойств вещества и характеризует соотношение силы взаимодействия заряженных частиц в вакууме к силе взаимодействия их в этом веществе.

Диэлектрическая проницаемость воды в нормальных условиях составляет 80–81 (для нефти 2,0, для большинства жидкостей 10–15).

Высокая диэлектрическая проницаемость воды объясняет ее активное химическое взаимодействие с окружающей средой, растворение горных пород.

Поверхностное натяжениеВода обладает максимальным поверхностным натяжением из всех жидкостей на Земле (за исключением ртути), высокой способностью к прилипанию (адгезией) и смачиванию.

Благодаря этому свойству вода в капиллярах образует вогнутый (а не выпуклый как у ртути) мениск, кривизна которого определяет высоту возможного поднятия воды (от 0,5–1,2 м в песках до 12 м в глинах).

Формирование капиллярной каймы над зеркалом глубокозалегающих грунтовых вод в засушливых регионах способствует питанию растений. Им же в значительной степени обусловлены процессы интенсивной разгрузки подземных вод испарением.

Радиоактивность подземных водВызвана наличием в подземных водах соединений урана, радия и радона, поступающих из водовмещающих пород.

Максимальная радиоактивность - воды магматических породМинимальная радиоактивность – воды осадочных пород

Единицы радиоактивности

беккерель – (Бк, система СИ) – активность источника, в котором за одну секунду происходит в среднем один радиоактивный распад. Величина, обратная времени: Бк = с−1.кюри (Ки) – количество радиоактивного газа, находящееся в радиоактивном равновесии с 1 г радия. 1 Ки = 3,7·1010 Бк.эман - используется в основном для обозначения концентрации радона. 1 эман=10–10 Ки/литр, 1 эман=3,7х103 Бк/м3)

Типы воды по радиоактивности

Тип воды Эманы

Очень сильно радиоактивные

Свыше 10 000

Сильно радиоактивные 1000–10 000

Радиоактивные 100–1000

Слабо радиоактивные 10–100

Весьма слабо радиоактивные

Менее 10

Водородный показатель (рН)

При равенстве концентраций ионов водорода (Н+) и гидроксид-ионов (ОН–)

рН = 7,0 (при t=25°С).Это нейтральная реакция водной среды.

При температурах близких к 0°С нейтральная реакция возникает при рН = 8,0 (надмерзлотные воды)При повышенных температурах (t=50°С) нейтральная реакция возникает при рН = 6,6

Водородный показатель (рН)

Величины рН подземных вод изменяются от 0-2 (в ультракислых водах областей современного вулканизма и болотных водах) до 10-12 в содовых и сероводородных растворах, водах областей распространения ультраосновных пород.

Обычные величины рНДля грунтовых вод 6,4-7,5Для артезианских вод 7,3-8,5

рН питьевой воды должен составлять от 6,0 до 9,0

Типы воды по водородному показателю

(по А.Н. Павлову, В.Н. Шемякину)

Тип воды Величина рН

Сильнокислые <1,9

Кислые 1,9-4,1

Слабокислые 4,1-7,0

Нейтральные 7,0

Слабощелочные 7,0-8,3

Щелочные 8,3-10,3

Сильнощелочные >10,3

Окислительно-восстановительный потенциал (Eh)

Характеризует соотношение окисленных и восстановленных форм всех содержащихся в растворе элементов переменной валентности.Если Eh положительный, то в растворе преобладают процессы окисления, если отрицательный – то процессы восстановления.

Значения Eh подземных вод изменяются в диапазоне: от –0,5 до + 0,7 В. Величины Eh обычно уменьшаются с глубиной.

Поверхностные и грунтовые воды характеризуются положительными величинами Eh = от +0,15 до +0,7 В.

Подземные воды глубоких частей артезианских бассейнов имеют Eh = от 0 до –0,5 В.Низкие значения наблюдаются в водах нефтяных месторождений, минимальные (от –0,6 до –0,7 В) в сильнощелочных рассолах в гипсах.

Максимальные значения ОВП обнаружены в рудничных водах при активной деятельности железобактерий: Eh достигает +0,86 В.