Wapń

Do najpospolitszych pierwiastków 2 grupy, najczęściej spotykanych w przyrodzie nalezą wapń i magnez, występujące w postaci następujących związków:

• wapieni CaCO₃

• magnezytów, których głównym składnikiem jest MgCO₃

• dolomitu MgCO₃xCaCO₃

• siarczanu wapniowego CaSO₄

• fosforanu wapniowego Ca₃(PO₄)₂

• chlorku wapniowego CaCl₂

Głównym źródłem jonów wapnia w wodach podziemnych są procesy wietrzenia chemicznego powszechnie występujących minerałów skał osadowych zawierających wapń: kalcytu i aragonitu CaCO₃, dolomitu CaMg(CO₃)₂, gipsu CaSO₄x2H₂O i anhydrytu CaSO₄. Zawierają go również inne minerały, np. zeolity, smektyty, fluoryt CaF₂, fosforyt Ca₃(PO₄)₂ czy apatyt 3Ca₃(PO₄)₂xCaF₂.

Wietrzenie minerałów skał magmowych także może dostarczać do wód pewnych ilości jonów wapnia. Minerałami tymi mogą być plagioklazy, np. anortyt CaAl₂Si₂O₈, pirokseny i amfibole. Wietrzenie ich przebiega jednak powoli i w związku z tym w wodach występujących w skałach magmowych i metamorficznych wapń spotykamy w niewielkich ilościach.

W rejonach gdzie występują skały wapienne,w jaskiniach obserwuje się zjawisko tworzenia oryginalnych form skalnych tzw. stalaktytów i stalagmitów. Przyczyną tego procesu jest zjawisko erozji, które polega na powolnym rozpuszczaniu skał wapiennych z utworzeniem dobrze rozpuszczalnego wodorowęglanu wapnia.

CaCO₃ + H₂O + CO₂ → Ca(HCO₃)₂

Dwutlenek węgla (CO₂) pochodzi z atmosfery. Z wodnego roztworu Ca(HCO₃)₂ wolno ściekającego po ścianach jaskiń, po częściowym odparowaniu wody wytrąca się osad CaCO3, tworząc naciek:

Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃ (osad) + H₂O + CO2

Magnez

Magnez jest pierwiastkiem zbliżonym pod względem chemicznym do wapnia. Aktywnie uczestniczy on również w biologicznym obiegu substancji, Charakteryzuje się jednak niższym niż wapń współczynnikiem pochłaniania biologicznego.

Migracja wodna magnezu przebiega nieco inaczej niż wapnia. Związane jest to m.in. z mniejszym rozmiarem jonów Mg²⁺ niż Ca²⁺ i tworzeniem jonów uwodnionych. Adsorpcja jonów magnezy przez minerały ilaste jest też słabsza niż w przypadku wapnia, powolniejszy jest również jego obieg w przyrodzie. Pomimo tego w wielu środowiskach występowania wód podziemnych obserwuje się związki korelacyjne między zawartością w wodzie jonów Ca²⁺ i Mg²⁺.

Magnez wstępujący w wodach podziemnych jest głównie pochodzenia mineralnego. Mozę się tam dostawać w wyniku wietrzenia wielu minerałów skał krystalicznych, np. oliwinów, piroksenów, amfiboli, ciemnych mik, a ponadto chlorytów, serpetynów, magnezytów i innych. Magnez dostarczany jest w wyniku wietrzenia i jest rozpraszany podczas migracji wodnej, częściowo może być także zużywany w procesach dolomityzacji skał bądź wychwytywany przez rośliny.

Większych ilości magnezu do wód podziemnych dostarczać mogą minerały skał osadowych. Głównie dolomit CaMg(CO₃)₂. Jest on bardziej odporny na wietrzenie niż kalcyt, jednak obecność agresywnego CO₂ może przyspieszyć proces rozpuszczania, doprowadzając do wód jony Mg²⁺ i Ca²⁺. Powstaje wówczas typ wód wodorowęglanowo - wapniowo - magnezowych.

Najwięcej magnezu może występować w wodach ługujących łatwo rozpuszczalne siarczanowe i chlorkowe sole magnezu. Głównie są to: kizeryt MgSO₄xH₂O, epsomit MgSO₄x7H₂O, polihalit K₂MgCa₂(SO₄)₄x2H₂O, boracyt Mg₃ClB₇O₁₃, astrachanit Na₂Mg(SO₄)₂x4H₂O, kainit KMgxClSO₄x3H₂O, karnalit KMgCl₃x6H₂O i in. wody powstające w wyniku ich ługowania mają wysoki stopień mineralizacji i zbliżony skład chemiczny zależny od składu soli.

Sód

Sód jest najpospolitszym pierwiastkiem wśród metali alkalicznych. Sód występuje powszechnie w minerałach skał krystalicznych, z których najważniejszy jest skaleń sodowy - albit (NaAlSi₃O₈), oraz rzadziej, w łatwo rozpuszczalnych solach w skałach osadowych. Znacznie większe ilości sodu dostają się do wód podziemnych w wyniku ługowania osadowych złóż soli, głównie halitu (NaCl). Wody nasycone NaCl zawierają aż 150g/L jonów Na⁺.

Wody podziemne mogą być także wzbogacone w sód dzięki procesom wymiany jonowej. Procesy te prowadza do naturalnego zmiękczenia wód podziemnych. Zjawisko to polega na zaadsorbowaniu jonów Ca²⁺ wywołujących twardość wody i zastąpieniu ich jonami Na⁺.

Potas

Potas jest pierwiastkiem zbliżonym pod względem właściwości chemicznych do sodu, występującym w litosferze w podobnych ilościach.

Potas ma jednak zdecydowanie większy promień jonowy (1,42x1010m), nieco niższy potencjał jonowy 9Na - 0,99m, K - 0,72) i niższą elektroujemność (Na - 0,9, K - 0,8). właściwości te oraz wyższy współczynnik biologicznego pochłaniania potasu niż sody i aktywniejsze uczestniczenie w procesach wymiany jonowej sprawiają, ze drogi wędrówki hydrogeochemicznej obydwu pierwiastków nie są jednakowe. Pomimo że jon potasu jest wyraźnie większy niż jon sodu, podlega on silniejszej adsorpcji ze względu na specjalny sposób włączania go w struktury minerałów ilastych na przykład w illicie potas jest uruchamiany w przestrzeniach międzywarstwowych tak silnie, ze nie podlega już praktycznie późniejszym procesom wymiany jonowej.

Rozpuszczalność soli potasowych: kainitu, sylwinu, karnalitu, polihalitu i in. jest wyższa niż halitu. Niemniej, głównie ze względu na silną adsorpcję przez minerały ilaste oraz pobór przez rośliny, potas wyraźnie ustępuje ilościowo sodowi w wodach.

Stosunkowo duże zawartości potasu w wodach podziemnych mogą być związane z lokalnymi wystąpieniami ewaporatów, gdzie zawartość tego pierwiastka w złożu solnym może osiągać 20-50% ogólnej liczby kationów. Pewnych ilości8 potasu do wód podziemnych może również dostarczać rozkład substancji organicznej. Wspomniane już procesu adsorpcji przez minerały ilaste i biologiczne pochłanianie usuwają go jednak szybko z wód podziemnych.

Potas uważany jest za jeden z pierwiastków urodzaju., stosowany jest w wielu nawozach mineralnych. Intensywne nawożenie nawozami organicznymi również może podwyższyć zawartość jonów K⁺ w wodach gruntowych. Podobnie jak sód, potas może się również dostawać do wód podziemnych w wyniku zanieczyszczeń bytowych, gospodarczych czy też przemysłowych.

Żelazo

W zewnętrznej skorupie ziemskiej zawartość żelaza ocenia się na około 5%, rdzeń skorupy ziemskiej prawdopodobnie zawiera głównie Fe i Ni.

Powszechnie występuje w wielu minerałach skałotwórczych. Bierze ono czynny udział w obiegu pierwiastków w środowisku jako pierwiastek cykliczny. Pierwotnym źródłem żelaza w wodach podziemnych są liczne minerały skał magmowych, takie jak: oliwiny, pirokseny, amfibole, biotyt, magnetyt czy tez piryt. Żelazo powszechnie również występuje w minerałach skał osadowych, np. w pirytach i markasytach, syderytach oraz tlenkach i wodorotlenkach (hematyt, meghemit, goethyt, ferrihydryt). Wietrzejące krzemiany, siarczki i węglany dostarczają do wód podziemnych znacznych ilości żelaza.

Ługowanie żelaza z utworów wodonośnych i przeprowadzanie go do wód podziemnych jest złożonym, skomplikowanym procesem o rożnym przebiegu zależnym od całokształtu warunków.

Procesy powodujące ługowanie związków Fe ze skał

Hydratacja	Tworzenie się systemów drobnodyspersyjnych, np. powstawanie hydrohematytu i hydrogeotytu
		Hydroliza	Rozkład węglanów, siarczanów, słabszy rozkład siarczków, bardzo słaby krzemianów im glinokrzemianów. Uwalnianie się kationów, m.in. Fe. Powstawanie ferrihydrytu, goethytu, hematytu, syderytu
		Oddziaływanie CO2, SO4^2-, OH^-, H^+	Powstawanie węglanów, siarczanów, siarczków, chlorków żelaza
		Powstawanie kompleksów: 1) żelazoorganicznych 2) połączenia fe z substancją ilastą	Przyłączenie przez związki organiczne połączeń kationów Fe^2+ i fe^3+. Powstawanie trwałych, koloidalnych form stabilizujących połączenia Fe. Przyłączenie koloidalnych form żelaza przez minerały ilaste, tzw. żelazo międzydomenowe
		Sorpcja powierzchniowa	Wymiana jonów żelaza zaadsorbowanych na powierzchni minerałów ilastych lub koloidów ze składnikami roztworów wodnych
		Oddziaływanie mikroorganizmów	1) rozkład minerałów żelaza i tworzenie związków kompleksowych 2) oddziaływanie na minerały żelaza kwasów organicznych i nieorganicznych 3) wpływ enzymów mikroorganicznych 4) oddziaływanie bakterii anaerobowych

Migracja żelaza w przyrodzie jest bardzo skomplikowana i zależy od wielu czynników. Najważniejszymi z nich są: odczyn środowiska i warunki redoks.

---