Табиғи сулардың химиялық құрамының қаллыптасуын анықтайтын факторлар

Лекция 3

Табиғи сулардың химиялық құрамының қаллыптасуын анықтайтын факторлар

1. Тікелей факторлар
1. Тау жыныстары және минералдар
2. Шөгінді жыныстар, құмды жыныстар, жиналған тұздар
3. Топырақ
4. Тірі организмдер
5. Адам әрекеті
2. Жанама факторлар
1. Климат
2. Бедер
3. Сулы режим

     Қазіргі таңда табиғи сулардың химиялық құрамының қалыптасуын анықтайтын факторды: тікелей және жанама деп бөледі. Тікелей факторларға тау және шөгінді жыныстар, топырақ, тірі организмдер және антропогендік  факторларды жатады.  Жанама факторларға жататыны: климат, бедер және сулы режим. 

1.Тікелей  факторлар

1.1 Тау жыныстары мен минералдар

      Сулардың химиялық құрамының алғашқы көзі болып табылатын кристаллдық жыныстардың атқылауының атқаратын қызметін біз қарастырдық. Кейіннен атқаратын қызметтердің орны ауысты. Қазіргі кезде беткі сулардың минерализациясында маңызды болып щөгінді жыныстар табылады. Алайда атқылаған және метоморфоздалған тау жыныстарын елемен дұрыс емес, себебі олардың массасы жер қыртысының 95-тей % алып жатыр.

      Уақыт оте келе тау жыныстары судың, оттегінің, көмірқышқыл газының, органикалық және бейорганикалық қышқылдардың және де тірі организмдердің әсеріне баяу ұшырайды.

      1967 жылы гидрохимия кафедрасында алғашқы рет табиғи сулардың химиялық құрамын анықтауда тау жыныстарының атқылауының көлемді зерттеулерін аспиранттар,КСРО ҒА мүшелері Алекин О.А. және Данилова Г.Н. жүргізді. Оның диссертациясы “Кристаллды жыныстардың атқылауы мен судың әрекеттесуі”.

     Данилова Г.Н. келесі заңдылықтарды орнатты:

1. Су мен тау жыныстарының әрекеттесуі кезінде күрделі параллельді процестер жүреді( катиондық алмасу, алюмосиликаттардың гидролизы, жеңіл еритін қосылыстардың  сілтіленуі, тотығуы және т.б.)
2. Әрекетесу жылдамдығы жыныстың дисперстілігіне тәуелді. Әрекеттесудің алғашқы кезеңі ұсақ бөлшектердің үлкен бет беруінің әсерінен жоғары жылдамдық сипатталады.
3. Нашар еритін  қосылыстардың бөлшек бетіне түзілуінің әсерінен ары қарай жылдамдық төмендейді.
4. Барлық процестерден Н^- катоиндарының металл катиондарының минералдық кристалдық торында орын басуы басым болып табылады;орын басу процесі эквивалентті жүреді.

Сонымен Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺(жыныста) иондары Н⁺ катионының орнын басады, содан ерітіндіде ОН⁺ жиналады. Ерітіндінің рН шамасы артады. Сол себептен “тау жыныстарының сілтіленуі” термині орынды. Ерітіндінің рН көп болған сайын, беттің әсерлесуі тең шарттарда берігірек болады.

5. СО₂ болуы процесті тездетеді және тау жыныстарының өте терең ыдырауына жағдай жасайды, ерітіндіге Fe³⁺ және Al³⁺ иондары енеді.
6. Кальций және магнийге қарағанда натрий ионының  сілтіленуі жылдамдығы жоғары, өйткені Na⁺  энергия жұтуытөмен және жақсы еритін қосылыстардың  құрамына кіреді.
7. Су минерализациясының таулы жыныстармен әрекеттесу кезінде маңызды шамаға жетеді (гранитпен 73 мг/л екі жылда).

     Басқа Д.Е. Марачевскийдің диссертациялық жұмысында “Өзен суларының химиялық құрамы үшін кристалдық жыныстардың маңызы (Мысалы Кубан өзені өзені)” келесі орнатылды. Кубан өзенінің суының химиялық құрамының түзілуіне  кристалдық жыныстардың маңызы зор. Сонымен, барлық сомманың 19% - ға жуығы атқылаған және метоморфозданған тұздар түзетін есептеулерді көрсетті. 

2. Шөгінді жыныстар, құмды жыныстар, жиналған тұздар

     Шөгінді жыныстар  шығу тегі және минералдық құрамы бойынша әртүрлі. Батпақтар және құмдар судың минерализациялануы үшін үлкен қызығушылық пен маңызға ие. Батпақтардың тұздану дәрежесі бойынша әртүрлі болуы мүмкін: олардың көп бөлігі  жақсы жуылған, ал теңіз батпақтары жиі тұздалған. Батпақ арқылы фильтрлеу – болымсыз процесс. Олардың аса маңызды қасиеті: жұту және иондар алмасу (олардың қатты дамыған беттері арқылы).Адсорбцияға бейімделуі Li⁺, Na⁺, NH₄⁺, K⁺, Ca²⁺, Ba²⁺, Al³⁺, Fe³⁺ қатары бойынша артады (заряды және радуысына қатынасты). Жұту энергиясы көп иондар ерітіндіден жұту энергиясы төмен иондарды ығыстырады. Сонымен, Ca²⁺- дың Na⁺-дың тепе-теңдік  беріктілігіне дейін ығыстырады, сонда V_{адсорбция} = V_{десорбция}, мұндадағы V – жылдамдық. Тепе-теңдік:

Ca²⁺ + 2Na⁺ (жұтылуы)         Ca²⁺(жұтылу) + 2Na⁺ тепе-теңдігі батпақ - + тарда және басқа жыныстарда химиялық реакцияның жүруінде үлкен маңызы бар.

      Егер батпақтар тұздан айырылған сумен жанасса, онда судың минерализациясы батпақтардың комплексін жұту арқылы артады, Н⁺ ионының Na⁺ ионына алмасуы жүреді: батпақтың табиғи сулармен жанасуы кезінде оның химиялық құрамында метоморфизация процесі жүреді.

     Құмды жыныстар жақсы фильтрлеу қасиетіне ие. Сондықтан олардың минерализациялық қасиеттері климаттық жағдайға тәуелді. Теңіз құмдары құрғақ аридтік жағдайда суды қатты минералдайды. Аридтік жағдайда құмдар грунттық сулардың капиллярлық көтерілуі арқылы минерализацияланады.

     Сонымен қатар, минерализацияның тұрақты көзі болып табылатын, жиналған тұздар шөгінді жыныстарда көп болады. Мысал ретінде Қарқара ауылындағы Шарын өзенінің жиналған тұздары. Бұл қандай тұздар? Кальций, магний, натрий және калий карбонаттары, сульфаттары, хлоридтері.

Кесте 3.

Құрлықтағы  тұздардың жалпы мөлшері.

 

Тұзды өзендерде шығу тегі бойынша екінші реттік кантинетлальдық тұздар жиналады: гипс, галит, тенардит, мирабилит, кизерит, эпсомит. 

1.3Топырақ

      Топырақ - тірі организмдермен жыныстардың климат пен бедердің белгілі бір жағдайда әрекеттесуінің нәтижесінде қалыптасқан күрделі табиғи дене. Тау жыныстарынан ерекшелігі, топырақ құрамында негізгі минералдық бөліктерден (90-95%) басқа органикалық және органоминералдық қосылыстардың болуы. Топырақ үнемі топырақтық қатты бөлігімен әрекеттесетін топырақ ерітіндісі және органикалық заттардық ыдырау кезінде түзілетін және отмосферадан енетін газдармен сіңірілген.

Топырақтың сумен жанасуы кезінде қандай процестер жүруі мүмкін?

Біріншіден, топырақ арқылы фильтрлеу кезінде судың минерализациясы артады. Процестердің жүру сипаты климаттық жағдайға байланысты.

Сонымен, артық ылғалданған зонада топырақ өте жуылған. Тундралық және батпақты топырақ суды органикалық заттармен байытады. Құрғақ климатты жерлерде грунттық судан топырақты ылғалдың шығуының басты бағыты – жоғарғы капиллярлық көтерілу. Ылғал буланады, тұз топырақты тұздайды, капиллярлардың жоғары көтерілуінен грунттық суларда сорлар түзіледі. Ылғал жеткілікті және көлемді зоналарда жылдық көп бөлігінде топырақтың шайылуы жиі болады. Қатайған немесе ылғалы көп топырақта шөгінді тек беткі бөлігінен ағады, сондықтан ағындының беткі бөлігінде менерализация аз.

Екіншіден, топырақ арқылы суды фильтрлегенде оның химиялық құрамыны метаморфизацияланады. Топыраққа, балшық сияқты, сорбциялық қасиет тән. Топырақ және жыныстың коллоидты-минералдық жұқа дисперстік жұту комплексі немесе органогенді комплексі өзінің катоиндарын судың катиондарына айрбастауға немесе жұтуға бейім болады. Ол катиондардың (және аниондардың) алмасуының жұтылу көлемімен сипатталады. Түрлі топырақтар мына қасиеттері бойынша бөлінеді: төменгісі – солтүстік, жуылған топырақ (5-20мг – экв./100г.), ал жоғарғысы – қара топырақ (40-50мг-экв./100г.). Бұл топырақты шымтезектің (органикалық заттардың коллоидтық фракциясы)  минералдық фракциясының жоғары дисперстік құрамының әртүрлілігімен байланысты. Қара топырақтың жоғары алмасу көлемі шымтезектің маңызды мөлшерінің болуымен байланысты.  

4.   Тірі организмдер

 

Жануарлардың, микроорганизмдердің және өсімдіктердің тіршілік етуі суға айтарлықтай әсер етеді. Олардың көмегімен және қатысуымен:

 а) су қоймаларда фотосинтез арқылы органикалық заттар түзіледі (алғашқы өнім) CO₂+2H₂O       (H – C – OH) + H₂O+O₂;

      б) бактериялардың көмегімен өлі өсімдіктер мен жануарлардың қалдықтарын ыдыратады. Нәтижесінде күрделі органикалық зат – шымтезек немесе жай минералды бейорганикалық заттар (CO₂, H₂O, CH₄, N, P қосылыстары және т.б.) түзіледі;

      в) газ құрамының өзгеруі жүреді: судың О₂ байуы, СО₂ азаюы, H₂, S, NH₃, CH₄;

      г) организмдердің көмегімен судың құрамынан  басқа химиялық элементтерді бөліп алу (N, P, C, Ca, K, микроэлементтер). Теңіз балдырларының  йодты концентрлейтіндігі және оны алудың өндірістік көзі болып табылатындығы барлығына белгілі.  

5. Адам әрекеті

Адам  өмірі табиғи суларға қатты әсер етеді, шаруашылық әрекеттері процесінде судың табиги шарттарын қалыптастыра отырып өзгертеді:

1. Топыраққа минералды және органикалық заттарды енгізе отырып;
2. Өзенге өндірістің, ауыл шаруашылық және тұрмыстық ақаба суларды ағыза отырып;
3. Өзен ағуының бақылауы және су қоймаларының пайда болуы;

Себебі су барлық айналу жүйесінде қозғалмалы, табиғи су қасиеттеріне ауданның жағдайы айтылады, соған байланысты су жиналады. Мысалы, Байкал- табиғат ғажайыбы, 330 өзендерден құралады. Біреуінің ластануы судың сапасына және Байкал негізіне көп әсер етеді. 

2.Жанама  факторлар 

2.1 Климат 

     Климат  жердің тұздылық құрамының қалыптасуына әсер етуі маңызды фактор болып табылады. Жауын-шашын көп жауатын областарда топырақ пен тау жыныстары қарқынды сілтіленеді. Құрғақшылық жоғары облыстарда керісінше, топырақтың көп тұздылығы байқалады. Бұндай аудандарда топырақ сілтіленбейді, ал керісінше, еріген калий, натрий және магний тұздары жиналады.

     Климат  табиғи судың химиялық құрамының  қалыптасуына әсер ететін көптеген процестердің жалпы фонын жасайды.Климаттың әсері айтарлықтай, тіпті оған судың жалпы минерализациялану шамасы ғана емес, оның құрамы да тәуелді.

     Жылу және ылғал балансы шындығындада климатпен анықталады, оған территорияның ылғалдылығы және судың ағу шамасы, сол кезде табиғи ерітінділердің сұйылу немесе концентрациялану мүмкіндіктері тәуелді.

     Климаттық сипаттамаға судың жыныстармен әрекеттесу жағдайв, процестің химиялық желдену жылдамдығы, топырақ түзу түрі, өсімдік қалдықтарының ыдырау сипаты, топырақтың тоңуы және т.б. тәуелді. Сонымен, климат табиғи судың химиялық құрамының қалыптасуына әсер ететін алғашқы функция болып табылады.  

     2.2 Бедер

     Бедер климатпен тығыз байланысты және сонымен бірге табиғи судың химиялық режиміне әсер етеді. Ол жер асты жағдайын және беттік ағысты, сулы және топырақтың тұздылық режимін, аймақтық салалануы және т.б. анықтайды.  

4. Сулы режим

  Егер біз кез-келген су қойма түрінен проба алып және химиялық анализ жасасақ, онда алынған мәліметтер оның химиялық құрамы айтарлықтай өзгеріске ұшырайды. Сондықтан уақытқа байланысты судың химиялық құрамының өзгеруін көрсететін мәліметтер көп құндылыққа ие. Жылдық цикл – бір жылдай аралықта қарастырылады. Әртүрлі су қоймалардың жылдық циклы өзіне тән сипатталады.

      Сулы режим тек жыл аралығында ғана емес, тәулікке байланысты да өзгереді. Су қоймалардың сулы режимнің физико-географиялық жағайларға тәуелді: өзен ұзындығы, сағалардың болуы, өзеннің су қойма арқылы өтуі және т.б.

      Бақыланатын уақыт аралығында су құрамының жүйелік өзгергіштігі, оның заңдылықтары объекттің гидрохимиялық режимін құрайды, бұны оқыту гдрохимияның басты тапырмасы болып табылады.