При контактировании с осадочными породами морского происхождения подземные воды получают большую часть содержащегося в них кальция за счет растворения кальцита, арагонита, доломита, ангидрита и гипса. При выветривании изверженных и метаморфических пород кальций поступает в подземные воды из апатита, волластонита, флюорита и различных минералов групп полевого шпата, амфибола и пироксена. Поскольку кальций широко распространен в земной коре и чрезвычайно подвижен в гидросфере, его ионы — одни из наиболее распространенных в подземных водах.
Карбонат кальция легко растворяется в воде при условии большого содержания Н+. Одним из важнейших источников Н+ в воде служит угольная кислота Н2СO3, которая диссоциирует на Н+ и HCO-3. Ниже приводятся уравнения реакций, в результате которых в воду поступают ионы кальция:
При большом содержании двуокиси углерода образуется угольная кислота, которая диссоциирует на водородные и бикарбонатные ионы. Но если рН увеличивается, то соотношение карбонатных (СО2-3) и бикарбо-натных (НСО-3) ионов растет, и будет осаждаться карбонат кальция. Во многих природных водах от двуокиси углерода зависит продолжительность процесса растворения, если же СO2 отсутствует, СаСO3 выпадет в осадок.
В чистой воде при 23° С может раствориться лишь 13 ч. на 1 млн. карбоната кальция, или около 5 ч. на 1 млн. кальция. Поскольку в воде всегда есть какое-то количество двуокиси углерода, действительная растворимость карбоната кальция в природных водах гораздо выше. Кроме того соли натрия и калия увеличивают растворимость карбоната кальция. Поверхностные воды при равновесии с атмосферным углекислым газом могут содержать до 20—30 ч. на 1 млн. кальция при насыщении. Если поверхностные воды обладают умеренно высокой минерализацией, в них содержится до 40— 50 ч. на 1 млн. кальция за счет комплекса двуокиси углерода, бикарбоната и карбоната кальция. Концентрация двуокиси углерода в почвенном воздухе может превышать свою концентрацию в атмосфере в 10—100 и более раз. При увеличении содержания двуокиси углерода почвенная вода, вероятно, может содержать 100 и более ч. на 1 млн. кальция. При повышенном содержании двуокиси углерода, вызванном вулканической деятельностью, метаморфизмом карбонатов или диагенезом органических осадков, в присутствии больших количеств бикарбонатов количество кальция в воде может увеличиться до 200—300 ч. на 1 млн. Если в данной воде SO2-4 — главный анион и концентрация бикарбоната низкая, растворимость сульфата кальция (гипса) будет определять конечную концентрацию кальция. В воде, насыщенной гипсом (табл. 4.1, проба 6), кальций содержится в количестве более 600 ч. на 1 млн. Больше всего кальция находят в хлоридных рассолах — более 50 000 ч. на 1 млн. Такие концентрации ниже предела насыщения для хлористого кальция, поэтому они вполне возможны. Сложная проблема влияния HCO-3, Cl- и SO2-4 на концентрации Са2+ изучалась Холлом.
Механизм концентрации хлоркальциевых рассолов еще не совсем понятен. В морской воде магния примерно в пять раз больше, чем кальция, следовательно, если эти рассолы морского происхождения, должен действовать какой-либо механизм, удаляющий магний. Большинство солей магния более растворимо, чем соответствующие соли кальция. По этой причине процессы обмена и сорбции считаются скорее механизмами концентрации, чем механизмами осаждения нерастворимых минералов. Диагенетическое превращение кальцита в доломит в морских осадках — один из возможных путей выделения ионов магния из рассолов морского происхождения.
Концентрации кальция в нормальной питьевой подземной воде обычно изменяются от 10 до 100 ч. на 1 млн. Насколько известно, кальций в таких концентрациях не влияет на здоровье человека и животных. Даже присутствие 1000 ч. на 1 млн. кальция может оказаться безвредным. Широко распространенное мнение, что наличие кальция в воде способствует затвердению артерий, образованию камней в почках и заболеванию печени, фактическими данными не подтверждается.
Хорошо известна реакция растворенного кальция с мылом, в результате которой образуется осадок, называемый «мыльным творогом». Ионы магния, железа, марганца, меди, бария и цинка также вызывают подобное явление и вместе с кальцием должны быть осаждены, прежде чем мыло будет использовано для чистки или мытья. Способность этих ионов нейтрализовать действие мыла называется жесткостью воды. Поскольку все ионы, за исключением ионов магния и кальция, имеют незначительные концентрации, жесткость воды обычно характеризуется суммарным действием только кальция и магния и выражается весовым содержанием карбоната кальция.
