Подземные воды представляют собой сложную смесь растворённых солей, газов и органических веществ. Их химический состав формируется под влиянием геохимических условий залегания, литологии пород, водоносных горизонтов и гидродинамики. Основными показателями являются минерализация, ионный состав, жёсткость, кислотность (pH) и окислительно-восстановительный потенциал (Eh).
Минерализация подземных вод варьирует от нескольких десятков миллиграмм на литр в водах верхних горизонтов до десятков грамм на литр в солоноватых или минерализованных водоносных пластах. Она определяется растворением минералов материнских пород и гидрокарбонатным, сульфатным, хлоридным обменом и комплексообразованием с металлами.
Жёсткость воды определяется концентрацией ионов кальция и магния. В подземных водах она формируется главным образом за счёт растворения карбонатных пород (известняки, доломиты) и сульфатных минералов (гипс, ангидрит). Жёсткость может быть временной (связанной с бикарбонатами) и постоянной (сульфатной и хлоридной).
Кислотно-основное состояние подземных вод колеблется в диапазоне pH 6–8, но в зонах влияния органических кислот или промышленных выбросов может снижаться до 4–5. Взаимодействие карбонатной системы с растворёнными СО₂ и буферными компонентами регулирует стабильность pH и оказывает влияние на растворимость металлов.
Окислительно-восстановительный потенциал (Eh) подземных вод варьирует от +400 мВ в аэробных условиях до −300 мВ в глубинных анаэробных горизонтах. Eh определяет химическую форму металлов, степень растворимости железа, марганца, серы и других элементов, а также возможность биохимических процессов, включая денитрификацию, сульфатредукцию и метаногенез.
Подземные воды классифицируются по происхождению и гидрохимическому типу. Основные типы:
Гидрохимические типы по преобладанию катионов и анионов:
Рок-вода взаимодействие (water–rock interaction) является основным механизмом формирования химического состава подземных вод. Растворение минералов карбонатного, силикатного и сульфатного состава регулирует концентрации основных ионов.
Ионный обмен — процесс замещения ионов натрия и калия на кальций и магний в глинистых минералах, влияющий на смягчение или насыщение воды определёнными элементами.
Окислительно-восстановительные реакции управляют состоянием металлов: Fe³⁺ ↔︎ Fe²⁺, Mn⁴⁺ ↔︎ Mn²⁺, S⁰ ↔︎ H₂S. Анаэробные условия способствуют накоплению растворённого железа и марганца, сульфидов, метана и органических кислот.
Комплексообразование с органическими веществами и неорганическими лигандами (карбонаты, гидроксиды, сульфаты) стабилизирует металлы в растворе и регулирует их биодоступность.
Осадкообразование — важный процесс очистки подземных вод от растворённых солей при изменении давления, температуры, pH и Eh. Примеры: карбонатная осадка кальция и магния, сульфатное выпадение бария и стронция.
Подземные воды подвержены загрязнению различными источниками: промышленные стоки, сельское хозяйство, свалки и транспорт. Основные группы загрязнителей:
Химическое загрязнение влияет на гидрохимический баланс, повышает токсичность воды и изменяет биохимические процессы в водоносных горизонтах. Влияние проявляется в нарушении окислительно-восстановительных условий, повышении кислотности, накоплении металлов и органических соединений.
Для оценки качества подземных вод применяются:
Современные подходы включают интеграцию геохимических моделей, дистанционного зондирования и комплексного анализа для оценки состояния и устойчивости подземных водных систем.
Подземные воды активно участвуют в биогеохимических циклах элементов. Микробиологические процессы регулируют восстановление и окисление металлов, метаболизм азота, серы и углерода. Анаэробные микроорганизмы способны:
Эти процессы изменяют химическую активность подземных вод, способствуют формированию минералов и участвуют в очистке воды естественным образом.
Подземные воды являются основным источником питьевой воды, водоснабжения промышленных объектов и ирригации. Их химический состав определяет качество экосистем, в том числе болотных, речных и прибрежных. Геохимическая стабильность водоносных горизонтов обеспечивает регуляцию концентрации растворённых элементов, буферность pH и поддержание биологического баланса.
Нарушение гидрохимического равновесия, в том числе вследствие антропогенного воздействия, приводит к деградации экосистем, накоплению токсичных веществ и изменению гидробиологических процессов. Контроль химического состава и изучение естественных процессов подземных вод имеют критическое значение для сохранения экологического равновесия.