Понятие о массо- и теплопереносе и гидрогехимической миграции

Геологическая среда —это сложная система, в которой скелет горных пород обычно представляют неподвижной фазой, а жидкую, газообразную и биологическую — подвижными, т. е. перемещающимися, фазами. В палеогидрогеологических задачах все фазы считаются подвижными. В качестве основной фазы в дальней­шем будем рассматривать жидкую подземную воду, т. е. многокомпо­нентную систему, в которой «чистая» вода является мигрантом-растворителем, а содержащиеся в. ней ионы, комплексные неорганические и органические соединения, эмульгированные и суспензированные частицы (нефть, масло, бактерии, вирусы, водоросли, механические взвеси, пузырьки газа) — мигрантами-компонентами.

Рассматривая подземную воду как сложный раствор, м а с с о п е - ренос в подземных водах можно определить как направленное изменение вещественного состава и количества находящегося в них вещества. Он проявляется в изменении минерализации, химического и газового состава подземных вод. Эти изменения представляются как закономерности гидрогеохимического режима и солевого баланса под­земных вод. Массоперенос в подземных водах принято называть миг­рацией подземных вод. Этот термин нельзя признать удачным. Согласно определению, данному в Геологическом словаре (1978 г.), миграция — это перемещение вещества в земной коре независимо от природы вызывающих его процессов. С этих позиций физическое (механическое) перемещение всей массы воды (без учета изменения ее качества), которое мы называем фильтрацией, также включается в понятие миграция.

А. Е. Ферсман ввел понятие геохимическая миг­рация, обозначив им перемещение химических элементов в земной коре в результате различных геохимических процессов, приводящих к рассеянию или концентрации этих элементов. Подземные воды как фазовый компонент геологической среды принимают непосредст­венное участие в физико-химических и других процессах в горных породах и транспортируют химические и другие (биологические, га­зовые, механические) компоненты. В связи с этим в качестве синонима массопереноса в подземных водах целесообразно использовать по­нятие гидрогеохимическая миграция, подразуме­вая под этим перемещение и изменение состава компонентов в подзем­ных водах в результате различных гидрогеохимических процессов, приводящих к изменению минерализации, состава и свойств подзем­ных вод.

Из определения следует, что гидрогеохимические процессы должны быть разделены на процессы (или механизмы) переноса веще­ства и физико-химические изменения. Основ­ными механизмами перемещения вещества в подземных водах являются конвективный, диффузионный, и гидродисперсионный переносы. Фи­зико-химические изменения обусловливают перемещение вещества между фазами геологической среды и внутри самой жидкой фазы. Между твердой (порода) и жидкой (вода) фазами они проявляются в виде обменных процессов — сорбции и десорбции, ионного обмена, гидратации и дегидратации минералов, растворения, осаждения, кри­сталлизации, а взаимодействия с биологической фазой — в виде ме­таболизма, т. е. обмена веществом с живыми организмами. Физико­химические взаимодействия внутри жидкой фазы представлены про­цессами ассоциации и диссоциации молекул, комплексообразования, окислительно-восстановительными, в том числе и с участием микро­организмов и газов. Каждой совокупности процессов отвечает своя гидрогеохимическая обстановка, контролируемая определенным со­отношением температуры, давления насыщения, химической актив­ности раствора, содержания газов и т. п.

В изучении гидрогеохимической миграции выделяются два ас­пекта: 1) гидрогеохимический, предусматривающий исследование на количественной физико-химической основе геологических условий поступления в подземные воды, форм и устойчивости в растворе раз­личных элементов; 2) гидродинамический, включающий выяснение ме­ханизмов и закономерностей переноса вещества в подземных водах на основе построенных математических моделей гидрогеомиграционных процессов. Это сложные модели, они включают модель переноса данного компонента в подземной воде и модели физико-химических изменений, сопровождающих этот перенос и приводящих к изменению количества вещества в подземной воде. При этом должна быть принята геофильтрационная модель (распределение напоров и скоростей), определяющая условия массопереноса.

Количественное изучение гидрогеохимической миграции базируется на методах физико-химической термодинамики и математическом ап­парате, разработанном в теории тепло- и массопереноса. Необходимость исследования массопереноса диктуется потребностью использовать количественные методы при изучении геологических проблем формирования состава и минерализации подземных вод, а также при решении многих инженерных задач, в частности задач охраны подземных вод от загрязнения при водоснабжении, обосно­вании подземного захоронения промышленных стоков, составлении прогнозов возможного засоления почв на массивах орошения и т. п.

Теплоперенос представляет собой направленное изменение количества тепла в подземных водах, проявляется в изменении их тем­пературы и представляется закономерностями гидрогеотермическо­го режима и теплового баланса подземных вод. Гидродинамиче­ский ряд задач массо- и теплопереноса решается аналогично, так как они описываются тождественными математическими уравнениями, хотя физически существенно различны. В некоторых работах тепло- перенос включался в миграцию подземных вод. Далее мы будем рассматривать его как самостоятельное направление. Изучение тепло­переноса важно для исследований массопереноса (оценки температур­ной обстановки его проявления), а также при решении таких задач, как изучение процессов формирования температурного поля Земли и подземной гидросферы, оценка возможности использования термаль­ных вод в качестве источников энергии и для бальнеологических це­лей, определение запасов подземных вод в районах многолетнемерз­лых пород и т. д.