Главная \ Курортное дело Справочник


7.7. Минеральные лечебные и столовые воды


7.7.2. Состав минеральных вод [7.8.2]


Неорганические минеральные вещества. Подземные минеральные воды содержат многие химические элементы, которые находятся в виде простых диссоциированных элементов в форме ассоциированных соединений. Наиболее распространенными микрокомпонентами, определяющими химический тип вод, по М. Г. Валяшко, являются катионогенные (Са, Mg, Na, К, Fe) и анионогенные (Cl, S, С, Si) элементы.

Для минеральных лечебных вод важное значение приобретают микрокомпоненты, оказывающие бальнеологическое воздействие на организм человека даже при очень незначительном их содержании: As, Fe, I, Вг, В, F, H2S, H2SiO3 и другие.

В. В. Иванов и Г. А. Невраев подразделяют микрокомпоненты по бальнеологическому воздействию и по условиям нахождения в минеральных водах на 2 группы:

1. As, Fe, Co, Сu, Mn и другие тяжелые металлы.

2. I и Вг.

Кальций и магний, принадлежащие к числу главнейших компонентов минеральных вод, являются переходными к элементам-комплексообразователям.

Максимальное содержание магния наблюдается в рассолах галогенных формаций юго-восточной части Русской платформы, в Средней Азии, соответствующих испарительной концентрации морской воды на стадиях ее сгущения. Увеличение кальция происходит на стадии метаморфизации хлоридных магниевых и хлоридных магниево-натриевых рассолов в кальциево-натриевые при значительном повышении их минерализации.

Щелочные элементы Na и К в максимальных концентрациях содержатся также в подземных водах галогенных формаций, в рассолах артезианских бассейнов краевых прогибов, а также Северо-Каспийской, Припятской, Ангаро-Ленской и других межгорных впадин.

С увеличением минерализации подземных вод степень закомплексованности химических компонентов увеличивается: Na и Cl до 50%; Са, Mg и SO4 до 95%. В рассолах концентрация свободных ионов минимальна [13].

В большинстве минеральных вод содержатся простые катионы (Ca2+, Mg2+, Na + , H + ), анионы (Сl и F), а также анионы в соединениях с кислородом и водородом ( , НС ) и сложные комплексные соединения ( , Ca , СаС1+, , , , Mg , MgCl+ , , NaCI0, и т. д.).

В слабоминерализованных и маломинерализованных водах содержатся в основном: , , Са, Mg, Cu, Zn, Mo и дp. Термальные воды содержат преимущественно: F, Si, Аl, Мп, В, Ti, Cr, Rb, As, V, Sb, Ge, Ga. В крепких рассолах растворены: Cl, Вr, Са, К, Sr, Ba, Ra, Li, Ag, Tl, Pb, La.


Радиоактивные элементы. В минеральных водах содержатся радиоактивные элементы уранового, ториевого и актиниевого ряда. Наиболее широкое распространение имеют элементы уранового ряда: уран I, радий и радон. Из древни: радиоактивных элементов этого ряда в минеральных вода) отмечено присутствие урана X, иония, урана II и короткоживущих продуктов распада радона: радия А, радия В, радия С, радия D и радия Е.

В отдельных типах минеральных вод (воды нефтяных месторождений) отмечается значительное содержание элементов ториевого ряда: тория X и мезотория. В основных типах минеральных вод торий, радиоторий, торон, торий А, торий В и торий С установлены в очень малых количествах.

Из радиоактивных элементов актиниевого ряда в минеральных водах содержатся: актиний, актиний X и реже актиноуран и актинон.

Уран - родоначальник наиболее важного ряда радиоактивных элементов. Его перйод полураспада равен 4,5´109 лет. Уран в минеральных водах находится в виде ионе уранила и U 4+ , их гидратированных форм и ypaн-органических соединений. Его содержание варьирует очень больших пределах от 10-8 до 10-1 г/л. Главный источник поступления урана в подземные воды - горные породы. Предельно допустимые концентрации урана в питьевых водах по ГОСТ 13273-88 не должны превышать 1,8 мг/дм3. Воды относятся к урановым при его содержаниях более 3×10-5 г/л.

Радий образуется в результате радиоактивного распада урана. Радиоактивное равновесие Ra/U=3,4×10-7. Перйод полураспада радия составляет 1590 лет. Он является анало­гом щелочноземельных элементов магния, кальция и бария и обладает резко выраженными основными свойствами, вследствие чего в свободном виде не встречается. Содержа­ние радия в минеральных водах колеблется в пределах 10–13-10–8 г/л. Воды с содержанием радия более 1×10–11 г/л называются радиевыми.

Обогащение вод радием определяется многими факторами: содержанием радия в породе, химическим составов воды, временем соприкосновения воды и породы. Высокая минерализация вод, присутствие в их составе хлоридов щелочноземельных элементов (при отсутствии сульфат-иона) благоприятствуют нахождению радия в растворе.

В высокоминерализованных хлоридных кальциевых водах, циркулирующих в глубоких платформенных отложениях, установлены наиболее высокие содержания радия 10–10 и 10–9 г/л.

На участках разгрузки вод, содержащих барий, при наличии железо-марганцевых образований, травертинов, глинистых отложений и торфяников происходят процессы вторич­ного накопления радия, приводящие к формированию эманирующих коллекторов.

Наиболее изучены непосредственно применяемые в бальнеологии радиоактивные элементы уранового ряда - радон и короткоживущие элементы распада.

Установлено, что содержания радона в минеральных одах обусловлены не распадом радия, присутствующего в растворенном состоянии, а поступлением его из горных по­род, обогащенных радиоактивными элементами в процессе эманирования.

Радон - благородный газ с периодом полураспада Т1/2 = 3,825 дня. Равновесие радона с радием устанавливается за 30 сут. В лечебном отношении основное значение в мине­ральных водах имеет излучение радона. В некоторых случаях (в проточных бассейнах) определенный интерес представляют также короткоживущие продукты распада радона - RaA1/2 = 3,05 мин.), RaB1/2 = 26,8 мин.) и RaC1/2 = 19,7 мин.).


Органические вещества. В подземных минеральных водах содержатся разнообразные растворенные органические ве­щества: углеводы, липиды, белки. Содержание их определятся геологическими и физико-географическими условиями. Изучение водорастворимых органических веществ приобретает большое значение в связи: 1) с оценкой их бальнеологической роли в минеральных водах; 2) с определением их предельно допустимых концентраций как загрязнителей мине­ральных вод; 3) с оценкой степени их участия в биохимических и геохимических процессах, в образовании органических миграционных форм химических элементов, оказываю­щих влияние на формирование химического состава мине­ральных вод.

Максимальное содержание органических веществ, представленных летучими соединениями (уксусная, муравьиная, масляная, пропионовая и другие кислоты), отмечено в под­омных водах нефтяных и газовых месторождений.

Количество растворенных органических веществ Сорг в минеральных водах зависит от содержания рассеянного органического вещества в горных породах водовмещающих толщ, накоплений углеводородных залежей, интенсивности водообмена водонапорной системы, температуры, окислительно-восстановительной обстановки, химического состава вод и глубины их залегания, активности микробиологических процессов (биохимических превращений органических веществ).


Газы. Минеральные лечебные подземные воды содержат в растворенном состоянии разнообразные газы. В. И. Bepнaдский выделил 6 классов природных вод по основному составу содержащихся в них газов: 1) кислородные; 2) углекислые; 3) азотные; 4) метановые; 5) сероводородные; 6) водородные.

Газы в подземных водах имеют различное происхождение, В. В. Белоусов предложил классификацию газов по генезису: А - газы биохимического происхождения (СН4, СО2, N2, H2S, Н2, О2); Б - газы воздушного происхождения (N2, О2, СО2, Ne, Ar); В - газы химического происхождеш (СО2, H2S, Н2, СН4, СО, N2, HCl, HF, SO2, Cl, NH3). Последние подразделяются на: а) газы метаморфического происхождения; б) газы природных химических реакций и в) газы радиоактивного происхождения (Не, Rn).

Вместе с тем, как видно из классификации, одни и те же газы могут быть различного происхождения. Так, широко распространенные в минеральных водах газы N2, O2, CO2, СН4 могут быть метаморфического, воздушного и биохими­ческого происхождения.

Бальнеологическая практика, придавая исключительное значение газовому составу минеральных вод, выдвинула требование первоочередного изучения и выявления углекислых, сероводородных и радоновых вод. В минеральных водах в наибольшем объеме содержатся углекислый газ, азот сероводород; радон и инертные газы (Не, Аг, Хе, Ne) являются сопутствующими. Радоновые воды имеют локальное распространение.

Газы биохимического происхождения (СН4, H2S, СО2, N2, Н2, О2) и тяжелые углеводороды (ТУ) образуются в результате разложения органических веществ и представляют собой продукты жизнедеятельности микроорганизмов. При разложении органических веществ в анаэробной среде, бедной кислородом, выделяются главным образом СН4 и CO2. При повышенных температурах, там, где метанообразующие микробы погибают, могут развиваться процессы водородного брожения как результат деятельности водородообразующих микробов, приспособленных к этим условиям. Метановые газы, образующиеся в приповерхностных условиях или на значительных глубинах, по составу не отличаются.

Образование свободного азота и аммиака в анаэробной среде - результат деятельности денитрифицирующих бакте­рий, вызывающих восстановление нитратов. Процессы образования азота протекают интенсивно при разложении животных остатков, характеризующихся более высоким содержа­нием белковых веществ. Как отмечал А. А. Сауков, связь азота с гелием объясняется накоплением инертных газов в процессе разрушения углеводородных залежей.

Сероводород в анаэробной среде возникает за счет десульфирующих бактерий, разлагающих белки и восстанав­ливающих природные сульфаты. Сравнительно низкое содер­жание сероводорода (доли процента) в метановых газах может объясняться очень высокой растворимостью в воде.

Преобладание СН4 и СО2 среди газов биохимического происхождения объясняется большим количеством исходно­го материала в подземной гидросфере и более высокой при­способленностью микроорганизмов, образующих эти газы, к условиям захоронения органических веществ в недрах.

Кислород в анаэробной среде практически полностью расходуется на реакции окисления. В условиях аэробного разложения органических веществ образуются кислород, углекислота, азот, сероводород, аммиак и другие газы, кото­рые в основном поступают в атмосферу и лишь в редких случаях создают ореолы газонасыщенных вод.

Газы воздушного происхождения (О2, N2 и инертные газы), поступая из атмосферы, путем диффузии проникают но трещинам горных пород, иногда на значительную глубину и растворяются в подземных водах. Изменяющиеся во вре­мени температура, давление и минерализация подземных вод в процессе движения оказывают значительное влияние на их способность растворять газы. В связи с этим наблюда­ются случаи, когда восходящие источники, насыщенные га­зами воздушного происхождения, начинают газировать, выде­ляя газ в свободное состояние. Подземные воды чаще всего имеют азотный газовый состав. Кислород, обладая высокой химической активностью по сравнению с азотом и другими инертными газами, часто полностью расходуется на окисли­тельные процессы в литосфере.

Газы химического происхождения подразделяются на 2 группы: 1) образующиеся при нормальных давлениях и температурах; 2) образующиеся в глубоких горизонтах в условиях повышенных температур и давлений [3].

Химические реакции, приводящие к образованию газов первой группы, протекают при активной деятельности микро­организмов. Эти газы являются биохимическими. К числу химических процессов образования газов относятся лишь немногие процессы, связанные с воздействием кислых поверх­ностных вод на карбонатные породы или на воды, содержа­щие связную СО2 с выделением свободной СО2- Такой процесс выделения свободной СО2 происходит при разложении кар­бонатных пород или при воздействии кислых вод на сульфидные руды с образованием H2S.


Газы второй группы образуются при метаморфизме гор­ных пород. Прежде всего это газы вулканических областей: СО2, СО, Н2, N2, SO2, S2, Cl2, H2S, HC1, HF, B(OH)3, NH3, CH4, хлориды и фториды металлов, сульфиды мышьяка, О2, Аг, Не и другие газы. В составе газов действующих вулканов преобладает водяной пар.

А. А. Сауков указывал на то, что многие газы образуют­ся в процессе химических реакций при нагревании горных пород.

1. Водород - в результате воздействия водяного пара на соединения закисного железа H2O + 3FeOFe2O4 + H2.

2. СО2 - при термическом разложении карбонатов.

3. СО - при воздействии СО2 на соединение закисного железа: CО2 + 3FeО = Fe3О4 + CО.

4. SO2 и SO3 - при окислении пирита: 2FeSO4 = Fe2O3 + SO2+ SO3.

5. Сероводород и элементарная сера - при нагревании пирита в присутствии паров воды: FeS2 + H2O = FeO + H2S + S.

6. Процессы возгонки и частичной диссоциации органи­ческих веществ осадочных пород приводят к образова­нию СН4.

Основное количество азота в минеральных водах даже на больших глубинах связывается с его воздушным проис­хождением.


Микрофлора. В подземных водах обнаруживаются аммо­нифицирующие, нитрифицирующие, денитрифицирующие, тионовые, водородоокисляющие, метаноокисляющие, окис­ляющие нефтяные углеводороды, сульфатвосстанавливаю­щие, водородпродуцирующие, метанообразующие и другие бактерии. Биохимические свойства их очень разнообразны. Они принимают участие во многих окислительно-восстано­вительных процессах в системе вода - порода - газ - живое вещество. Микроорганизмы, при высоком их содер­жании в подземных минеральных водах (1 млн. клеток в 1 мл воды) и развитии в условиях температур от 0 до 98°С при минерализации до 300 г/л (значениях рН от 0,64 до 11), оказывают большое влияние на формирование химического и газового составов. Они потребляют вещества горных пород и подземных вод и образуют новые, изменяя тем самым со­став минеральных вод. В процессе жизнедеятельности бак­терий образуются СО2, СН4, , , N2, NH3, H2S, H2SO4.

Высокие пластовые давления глубоких водоносных горизон­тов активизируют развитие бактерий.

Микроорганизмы обнаружены также в связных водах (при изучении поровых растворов), где они обладают более высокой активностью.

Выделяют 3 гидробиохимические зоны: аэробную, пере­ходную и анаэробную. Продуктами жизнедеятельности аэ­робных (тионовых, метано-окисляющих и других) и факуль­тативно-анаэробных (денитрифицирующих и других) бакте­рий являются свободный кислород и различные окисные формы углерода, азота, серы, в переходной зоне - связан­ный кислород в форме сульфатов, нитратов, углекислоты. В этих зонах протекают окислительные биохимические про­цессы.

В анаэробной зоне протекают окислительные и восстано­вительные биохимические процессы. Продуктами жизнедея­тельности в этой зоне являются окисные и восстановленные формы углерода, азота, серы.

На развитие бактериальной жизни в подземных водах оказывают влияние: гидродинамический и гидрогеотермиче­ский режимы; минеральный состав водовмещающих пород; наличие органических веществ.

Тионовые бактерии окисляют все сульфидные минералы: пирит и марказит FeS2, халькопирит Cu2S, кобальтин CoAsS, арсенопирит FeAsS, молибденит MoS2, сфалерит ZnS, гале­нит PbS, антимонит Sb2S3 и др. При этом скорость бактери­ального окисления в несколько раз (иногда на несколько по­рядков) выше, чем при их химическом окислении. В резуль­тате минеральные воды обогащаются халькофильными эле­ментами (Сu, Pb, Zn, Mo, Cd и др.).

Сульфатвосстанавливающие бактерии образуют большую часть сероводорода. Отсутствие же биогенного сероводорода в зоне гипергенеза в большинстве случаев может быть свя­зано с широким распространением тионовых бактерий, окисляющих сероводород.

Водородпродуцирующие бактерии образуют водород при анаэробном разложении органических веществ - углеводов.