Вода как среда миграции.

Вода – самая универсальная и самая важная среда миграции в земной коре. Водные растворы пронизывают верхнюю часть литосферы, океаны и моря занимают 71% земной поверхности. Вода – это «кровь» земной коры. Все природные воды связаны между собой, находятся в постоянном движении, представляют единое целое – гидросферу Земли. Постоянный приток солнечной, радиоактивной и прочей энергии опре­деляет непрерывность водной миграции, неравновесность гидросферы в целом, существование различных круговоротов воды. Даже самые глубокие подземные воды участвуют в общем круговороте.

Круговорот воды в природе:

1 - испарение воды,

2 - выпадение осадков,

3 - перенос водяного пара на расстояние,

4 - инфильтрация вод в ландшафте,

5 - поверхностный и грунтовый сток,

6 - осадочные породы (грунтовые и артезианские воды),

7 - «гранитный» слой (трещинные и жильные воды),

8 - «базальтовый» слой (трещинные и жильные воды),

9 - верхняя мантия и очаги магмы,

10 - циклы водных круговоротов (С – сезонных и других кратковре­менных, В - вековых и геологических),

11 - первичные и другие воды мантии и земной коры,

12 - масса воды в геограммах (10²⁰ г).

а) Структура воды.

Аномальные свойства воды, резко отличающие её от других жид­костей, определяют многие особенности водной миграции. Особенно большое значение имеет исключительно высокая диэлектрическая пос­тоянная воды – при комнатной температуре она равна 80 (у этанола – 25, у уксусной кислоты – 6). Поэтому в воде взаимодействие в 80раз слабее, чем в кристаллах. Этим объясняется лёгкая ионизация растворённых веществ, образование Na⁺, Cl^-, Ca²⁺ и прочих ионов.

Своеобразие воды связано с особенностями её структуры, кото­рая для жидкой воды ещё полностью не установлена. Но хорошо известна структура льда, для которой характерна водородная связь. Молекулы H₂O во льду связаны между собой водородными связями и об­разуют ажурный каркас. Именно с этой «ажурностью» связывают спо­собность льда плавать в жидкой воде (у подавляющего большинства соединений твёрдая фаза тяжелее жидкой).

Многие особенности жидкой воды определяются водородными связями.

↓

H₂O ₈O 1s²2s²2p⁴

sp³ – гибридизация атомных орбиталей

б) Связанная вода, поровые растворы.

Часть воды в литосфере находится в свободной, т.е. капельно­-жидкой форме и занимает полости размером более нескольких микрон. Это воды песчаных и галечных водоносных горизонтов, трещин в гор­ных породах, карстовых полостей и т. д. Как правило, они гравита­ционно подвижны. Другая часть вод подвержена действию силового по­ля контактирующих пород. При этом деформируются водородные связи, свойства воды изменяются тем сильнее, чем ближе молекулы к поверх­ности породы. Сильное влияние породы сказывается на расстоянии в сотни нанометров, соответствующем плёнке из сотен мономолекулярных слоёв воды. Подобная вода получила название связанной. Она разде­ляется на прочносвязанную и рыхлосвязанную. К первой относится гигроскопическая вода, которая взаимодействует с активными цент­рами на поверхности минералов. Рыхлосвязанная вода образует плён­ку (плёночная вода), которая удерживается ван-дер-ваальсовыми межмолекулярными силами. При образовании рыхлосвязанной воды проис­ходят изменения (как и при нагревании): сильно возрастает кислот­ность, уменьшается диэлектрическая постоянная. Сильно понижается температура замерзания (до -70°С). Рыхлосвязанная вода находится в порах горных пород, капиллярах, микротрещинах и т.д. Частично она удерживается и за счёт замкнутости микрополостей. Подобные воды имеются в почвах, илах, горных породах, их называют «поровыми» растворами. Они удаляются из породы под давлением или каким-либо иным методом, например, вытеснением спиртом. По химическому составу поровые растворы очень разнообразны и часто сильно отли­чаются от гравитационных вод (известны как более, так и менее минерализованные поровые растворы).

Большая часть подземных вод относится к поровым растворам, только в глинах их количество приблизительно составляет 1,1∙10²² г, что соответствует слою воды на суше мощностью 66 м.

Поровые растворы относительно малоподвижны. Частично это застойные воды, поэтому они длительное время взаимодействуют с вмещающими породами, активно участвуют в геохимических процессах. Для них характерны как диффузия, так и фильтрация. При тектони­ческих движениях, уплотнении пород и других процессах поровые во­ды или отжимаются из пород, или засасываются в них. С этим связа­ны многие явления формирования химического состава подземных вод, рудообразования, нефте- и газообразования.

в) Тяжёлая вода.

Кларк тяжёлого стабильного изотопа водорода – дейтерия (D- ²H) в гидросфере равен 0,0147 атомных процентов. Гораздо меньше в водах радиоактивного изотопа – трития (Т – ³H). Извест­ны и тяжёлые стабильные изотопы кислорода ¹⁸O и ¹⁷O. Это создаёт возможность существования девяти стабильных разновидностей воды, среди которых абсолютно преобладают ¹H₂¹⁶O (99,73%), далее следуют ¹H₂¹⁸O (0,20%), ¹H₂¹⁷O (0,04%) и ¹HD¹⁶O (0,03 %). D₂O и HD¹⁶O называются «тяжёлой водой», которая отличается от обычной воды: замерзает при 3,8°С, кипит при 101,42^°С, наибольшую плотность име­ет при 11,6°С, скорость реакций и растворимость солей в ней мень­ше. Тяжёлая вода ядовита для организма.

Вода океана имеет постоянный изотопный состав: среднее атом­ное отношение ¹⁸O:¹⁶O составляет 0,002, a D:H 0,000158. На 1 млн. молекул Н₂¹⁶O приходится 2000 молекул H₂¹⁸O, 320 молекул HDO, 420 молекул Н₂¹⁷O.

Большие различия атомной массы D и ¹H создают возможность их разделения в некоторых природных процессах, особенно при испа­рении вод (H₂O энергичнее испаряется, чем D₂O). Поэтому D счита­ется одним из самых интересных в геохимическом отношении изотопов. Меньше всего тяжёлой воды в атмосферных осадках полярных стран, больше всего в солёных озёрах. На основе анализа изотопного соста­ва изучается связь вод океана с поверхностными водами суши, гене­зис глубоких пластовых вод, происхождение современных гидротерм.

г) Разложение и синтез воды в земной коре.

Количество H₂O в системах земной коры постоянно меняется. Так, при фотосинтезе H₂O разлагается, причём H входит в состав живого вещества, а кислород выделяется в окружающую среду. При выветрива­нии изверженных пород происходит поглощение образующимся каолинитом H⁺ воды:

2Ca[Al₂Si₂O₈] + 6H₂O = Al₄[SiO₁₀](OH)₈ + 2Ca²⁺ + 4OH^-

OH^- с CO₂, растворённым в воде, даёт HCO₃^-: OH^- + CO₂ = HCO₃^-. Последний участвует в образовании карбонатов по реакции:

2HCO₃^- + Ca²⁺ CaCO₃ + H₂O + CO₂.

В результате O воды попадает в карбонатные породы.

Другой распространённый процесс разложения H₂O – радиолиз. В земной коре протекает и синтез воды. Формирующиеся возрождённые воды обладают большой агрессивностью и выщелачивают из вмещающих пород многие рудные элементы. В этой зоне идёт выделение CO₂ из карбонатов.