Массоперенос в гидрогеохимических системах, страница 3

В случае естественной конвекции перемещение вещества происходит под влиянием градиента температуры и вызванного им различия в плотности среды. Так, по механизму естественной конвекции в зонах тектонических разломов осуществляется нисходящее движение тяжелых холодных вод и восходящий поток легких нагретых струй из глубоких горизонтов земной коры. Процесс естественной конвекции типичен для наземных водоемов, в которых охлаждающиеся на поверхности массы воды в холодное время погружаются на дно. В бассейнах подземных вод естественная конвекция затруднена наличием водоупорных горизонтов. Она может играми существенную роль только в хорошо проницаемых однородно-пористых или трещинных системах. Поскольку такие системы в реальных условиях достаточно редки, естественная конвекция не может рассматриваться как региональный процесс массопереноса.

Решающее значение в массопереносе в подземной гидросфере имеет вынужденная конвекция, которая происходит под действием внешних сил и сводится к хорошо известному вам процессу фильтрации. Движущей силой его служит напорный градиент. Вспомним, что напор может иметь гидростатическую природу (главным образом при негоризонтальности уровней подземных вод в инфильтрационных системах) и геостатическую природу (отжим растворов из уплотняющихся отложений в элизионных системах).

Вынужденная конвекция представляет собой механический перенос под действием гидравлического градиента.

В естественных условиях чисто конвективных потоков вещества значительной продолжительности существовать не может. В естественных условиях при фильтрации подземных вод массоперенос сочетает механическое и диффузионное перемещение вещества. В таких случаях говорят о конвективной диффузии, либо гидравлической дисперсии.

Вследствие беспорядочности порового пространства и случайного распределения скоростей движения отдельных струек жидкости в порах и трещинах возникает продольная гидродисперсия(механическая диффузия) потока вещества. Диффузия и продольная гидродисперсия приводят к появлению на фронте раздела между вытесняющей и вытесняемой жидкостями переходной зоны с плавно меняющейся концентрацией.

Гидравлическая дисперсия наблюдается всюду, где имеются: 1) градиенты напора, обеспечивающие потоки воды (фильтрацию), и 2) градиента концентрации растворенных веществ, благодаря которым возникают молекулярные потоки. Поэтому в бассейнах подземных вод, где есть фильтрация подземных вод и где в разрезе имеются различные по минерализации воды (а таким условиям отвечает большинство бассейнов подземных вод) перенос вещества происходит главным образом по механизму конвективной диффудии (гидравлической дисперсии). В глубоких зонах бассейнов (зоны замедленного водообмена и застойные зоны) на первый план выходит диффузионный массоперенос.

Итогом конвективной диффузии является смешение вод различного состава и разной минерализации, важный процесс формирования состава вод. Как показал А.Н. Огильви еще в 1923 г., при смешении пресной и минерализованной вод получается серия промежуточных по составу вод, а состав образующихся вод описывается уравнением прямой: y = ax+b, где x и y – содержание двух каких-либо составных частей в данном объеме воды, а и b – постоянные параметры, общие для всей группы вод, получаемых при смешении.

Процесс смешения изменяет состав воды и может провоцировать как усиление растворения вмещающих пород, так и его ослабление вплоть до выпадения осадков из растворов. С этим процессом нередко связана вторичная известковистость, загипсованность или засоленность пород водоносного горизонта.

Существует еще один механизм массопереноса, который ранее, да и сейчас, некоторыми исследователями не учитывается Это самопроизвольный направленный поток молекул воды ? – осмос. Движущей силой осмоса является градиент концентрации растворителя, т.е. самой воды, в различных частях системы (водоносного горизонта или бассейна подземных вод).