Массоперенос в гидрогеохимических системах

Тема 5 МАССОПЕРЕНОС В ГИДРОГЕОХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Под гидрогеохимической миграцией мы понимаем пространственно-временное перемещение компонентов в системах, образуемых подземными водами с вмещающими породами, протекающее под воздействием свойств компонентов и сред и приводящее к качественным изменениям состава вод. Речь идет о взаимном перемещении и трансформации отдельных компонентов подземных вод, приводящим к изменению их содержания. Миграция включает процессы переноса вещества (массоперенос) и физико-химические процессы его трансформации (изменения). Эти процессы и формируют химический состав подземных вод, постоянно изменяющийся во времени и в пространстве.

1. Теоретические основы массопереноса в гидрогеохимических системах. 2 Механизмы массопереноса. 3 Кинетика процессов массопереноса.

1. Теоретические основы массопереносав гидрогеохимических системах

Большинство природных систем являются открытыми к внешним условиям. Реальные гидрогеохимические системы, особенно макроуровня (водоносные горизонта, артезианские бассейны и др.) состоят из большого числа частных систем, напр., вода-порода, вода-газ, вода-органическое вещество и пр., и в целом являются неравновесными. Это значит, что процессы, протекающие  в них, могут быть необратимыми. Как, например, 

И такие системы должны быть неравновесными. Для расчетов концентраций веществ и скоростей протекания процессов в таких системах нельзя применять расчетные методы равновесной химической термодинамики.

Однако, в открытых гидрогеохимических системах, в целом неравновесных, отдельные частные системы могут находиться в равновесии (согласно концепции локальных и частных равновесий). В них, по результатам исследований С.И. Смирнова, Е.В. Добровольского,  могут устанавливаться стационарные или квазистационарные неравновесные состояния (квази – как бы, как будто).

Равновесные системы характеризуются отсутствием градиентов концентраций, давления, температуры. ? Стационарным же называется такое состояние, при котором градиенты концентраций, температур или давлений являются постоянными (не изменяются во времени) благодаря определенным процессам в окружающей среде.

Например, углекислота СО₂, поступающая из атмосферы, в почвенном горизонте и в верхних водоносных горизонтах вызывает растворение карбонатов: СаСО₃ + СО₂ + Н₂О = Са²⁺ + 2НСО₂^-. В закрытой или изолированной системе без притока СО₂ скорости прямой и обратной реакций сравнялись бы (↔) и в системе установилось бы равновесие. Но в открытой системе расход СО₂ постоянно компенсируется новыми порциями из атмосферы. Будет протекать только прямая реакция. Но в атмосфере его концентрация постоянна, значит и градиент концентрации остается постоянным. В системе устанавливается стационарное состояние. Такая система будет стремиться к равновесию, но в условиях открытости его не достигнет. Карбонатное равновесие в подземных водах не установится, однако для конкретных систем в определенных условиях его можно рассчитать, используя уравнения химического равновесия (Гаррелс и Крайст).

В гидрогеохимических системах кроме процессов растворения происходит ряд других процессов, как осаждение и кристаллизация, сорбция и ионный обмен, выщелачивание и пр. Они участвуют в формировании химизма подземных вод. Их количественные показатели (скорости, массовые соотношения) можно рассчитать для конкретных условий. О них мы будем говорить на последующих  занятиях.

Сейчас нам важно понять, что действие этих процессов определяет перемещение вещества, направленное перемещение, которое и представляет из себя массоперенос. Иначе, массоперенос – это совокупность геохимических процессов, происходящих при движении подземных вод. Теория массопереноса является составной частью теории миграции подземных вод. Изучают массоперенос с помощью методов физико-химической гидродинамики (законы движения воды и происходящие при этом процессы) и кинетики (скорости и механизмы этих процессов).

Учесть все физико-химические процессы, происходящие при перемещении подземных вод, т.е. поведение отдельных компонентов подземных вод, в природных, а тем паче в нарушенных хозяйственной деятельностью условиях, сложно. Выделяют и изучают основные процессы (в слабопроницаемых глинистых породах это ионный обмен и сорбция, в растворимых галитовых или сульфатных толщах –  растворение и кристаллизация), не учитывая второстепенные. Процессы массопереноса (геомиграции) должны учитываться при выполнении прогнозов изменения запасов подземных вод для различных видов пользования, при эколого-геологическом обосновании объектов разработки месторождений полезных ископаемых, захоронения токсичных отходов и т.д. Теория массопереноса получила развитие на современном этапе в трудах Н.Н. Веригина, В.М. Шестакова, Л. Лукнера, С.И. Смирнова. Е.В. Добровольского, В.И. Лялько, В.М. Шестопалова, в Беларуси А.М. Гречко, Черепанский, Курило, В.Г. Жогло.

2 Механизмы массопереноса.

Изучение механизмов и кинетики переноса вещества в подземной гидросфере, находящейся под влиянием планетарных (геогравитационного и геотермического) и региональных (концентрационного) полей, является важной и сложной задачей гидрогеохимии.