Геохимическая оценка способности химических элементов к накоплению в подземных водах

Элементы должны обладать свойством накапливаться в подземных водах до таких концентраций, которое геохимически и технологически были бы конкурентоспособны с их концентра­циями в твердом сырье.

Наибольшей способностью накапливаться в природных во­дах обладают катионо- и анионогенные элементы, имеющие крайние значения электроотрицательности и ионного потенциа­ла (600< Э0> 1100 кДж/моль; 2< z/r_i-> 9). Накопление катионогенных элементов в подземных водах объясняется тем, что они, образуют наиболее растворимые соединения с их главными анионами при этом обычно выдерживается ряд растворимости Сl^-> SО₄^2-> НСО₃^-(СО₃^2-); а накопление анионогенных — тем, что они образуют наиболее растворимые соединения с их глав­ными катионами (Nа⁺, Са²⁺, Мg²⁺).

Способность конкретных элементов к накоплению в подзем­ных водах может быть оценена с помощью коэффициента кон­центрации, который в соответствии с положениями В. И. Вер­надского и А. Е. Ферсмана, представляет отношение концентраций элемента в воде к их средним концентрациям в земной коре. Чем больше превышение концентраций элемента в подземных водах над его средними концентрациями в земной коре, тем больше гидрофильность элемента и тем большая вероятность его использования из промышленных вод.

Данные показывают следующий ряд уменьшения гидрофильности катионо- и анионогенных элементов: анионогенные (Вг> Сl> I> В> F> Аs, W, Mo, Ge); катионогенные (Sr> Li> Cs, Са, Мg> K> Rb).

ГЕОХИМИЯ ЭЛЕМЕНТОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ПРОМЫШЛЕННЫХ ВОДАХ

Литий, рубидий, цезий

Это типичные катионогенные элементы. Степень их катионогенности увеличивается в соответствии с уменьшением электроот­рицательности элементов (в кДж/моль):

Li₅₂₃< Na₄₉₅< K₄₁₉< Rb₄₀₆< Cs₃₇₇

Содержание щелочных элементов в океанической воде со­ставляет, мг/л: Li0, 15—0, 2; Nа 10354—10500; К 380—387, 5; Rb 0, 12—0, 2; Cs 0, 0005, а величины Na/К 27; К/Rb 1900, В океане, по данным Т. Ф. Бойко, содержится Li 1, 0%, Rb 0, 17% и Сs 0, 08% от того их количества, которое находится в выветривающихся средних изверженных породах.

Бром

Бром — типичный анионогенный элемент, характеризующийся очень высокой растворимостью его соединений с основными ка­тионами химического состава подземных вод.

Основным концентратором брома в земной коре являются высокоминерализованные подземные воды и хлоридные соли галогенных формаций; при этом основные запасы богатых бро­мом рассолов связаны с древними солеродными бассейнами. Геохимическая история накопления брома в подземных рассолах связана с историей морских и океанических вод и процессами галогенеза. Среднее содержание брома в океанической воде составляет при­близительно 65 мг/л при величине Cl/Br, равной 293—300. В зависимости от геологической истории морских бассейнов со­держания брома в их водах могут изменяться. Минимальные содержания брома установлены в водах морских бассейнов, потерявших связь с океаном, в формировании которых сущест­венное значение имеет континентальный сток (Каспийское, Аральское моря). В них водах содержание брома уменьшается до 2 мг/л, а величина Cl/Br возрастает до 2000.

Бром связывается элементами-комплексообразователя ( Zn,
Cu и др.) в комплексные соединения только в маломинерали­зованных (< 1—5г/л) водах, в которых концентрации элементов-комплексообразователей соизмеримы с концентрациями брома. Соединения брома с катионами природных вод хорошо растворимы, поэтому при испарительном
концентрировании морских вод бром не образует собственных
минералов, он накапливается в этих водах лишь частич­но изоморфно осаждается с хлоридами, поскольку: r_iCl-1, 8*10^-8 см, r_iBr-1, 96*10^-8 см.

Йод

Йод — анионогенный элемент с ярко выраженными биофильными свойствами. Соединения йода с главными катионами хими­ческого состава подземных вод, также как и соединения брома, хорошо растворимы, поэтому йод может концентрироваться в подземных водах до очень высоких содержаний.

Высокие содержания йода известны и в наиболее метаморфизованных рассолах Сl-Са-Nа типа с минерализацией более 400 г/л. Соответственно разнообразен и химический состав подземных вод с высокими содержаниями йода. Это не только Cl-Nа-Са и С1-Са-Nа метаморфизованные рассолы, но и относительно мало минерализованные ( Мменее 35 г/л) С1-Nа воды с высокими содержаниями НСО₃^- и щелочной реакцией. Такие воды с высокими содержаниями йода широко распространены в нефтега­зоносных структурах альпийской зоны складчатости.

Формы йода в подземных водах разнообразны: молекуляр­ная I₂, ионная в виде йодида I^- и йодата IO₃^- и комплексная с органическим веществом I...С. Молекулярная и ионная фор­мы нахождения йода в воде зависят от рН: I₂ ↔ I^-+ IO₃^-

Высокие концентрации йода определяются скорее не условиями формирования определенных геохимических типов подземных вод, а общими геохимическими условиями формирования этих вод.

Иод не может накапливаться в результате ювенильных эн­догенных процессов, так как он практически отсутствует в во­дах вулканических областей. Вся вулканическая деятельность Земли дает всего 1, 2 тыс. т. йода в год.

Ис­точниками высоких содержаний йодных вод могут быть лишь осадочные породы (в ос­новном, глинистые), обогащенные органическим веществом, так как по А. П. Виноградову, количество йода накапливающегося в морских илах пропорционально содержанию органического ве­щества и количеству мелкой фракции (< 0, 01 мм) ила.