6第六章地下水的化学成分及其形成作用.docx

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6第六章地下水的化学成分及其形成作用

第六章地下水的化学成分及其形成作用

6．1概述

地下水不是化学纯的H2O，而是一种复杂的溶液。

天然：

人为：

人类活动对地下水化学成分产生影响。

地下水的化学成分是地下水与环境、以及人类活动长期相互作用的产物。

一个地区地下水的化学面貌，反映了该地区地下水的历史演变。

水是最为常见的良好溶剂，可溶解、搬运岩土中的某些组分。

水是地球中元素迁移富集的载体。

利用地下水，各种行业对水质都有一定的要求→进行水质评价。

6．2地下水的化学特征

1．地下水中主要气体成分

O2、N2、CO2、CH4、H2S等。

1）O2、N2

地下水中的O2、N2主要来源于大气。

地下水中的O2含量多→说明地下水处于氧化环境。

在较封闭的环境中O2耗尽，只留下N2，通常说明地下水起源于大气，并处于还原环境。

2）H2S、甲烷（CH4）

地下水中出现H2S、CH4，其意义恰好与出现O2相反，说明→处于还原的地球化学环境。

3）CO2

CO2主要来源于土壤。

化石燃料（煤、石油、天然气）→CO2（温室气体）→温室效应→全球变暖。

地下水中含CO2愈多，其溶解碳酸盐岩的能力便愈强。

2．地下水中主要离子成分

7大离子：

Cl、SO42、HCO3、Na、K、Ca2、Mg2。

低矿化水中（M<12g/L）：

HCO3、Ca2+、Mg2+为主（难溶物质为主）；

中矿化水中（M=25g/L）：

SO42、Na+、Ca2+为主；

高矿化水中（M>5g/L）：

Cl、Na+为主（易溶物质为主）。

造成这种现象的主要原因是水中盐类溶解度的不同：

１）Cl

主要出现在高矿化水中，可达几g/L100g/L以上。

来源：

①来自沉积岩氯化物的溶解；

②来自岩浆岩中含氯矿物的风化溶解；

③来自海水；

④来自火山喷发物的溶滤；

⑤人为污染：

工业、生活污水及粪便中含有大量Cl，因此居民点附近矿化度不高的地下水中，如Cl含量超过寻常，则说明很可能已受到污染。

特点：

①Cl不为植物及细菌所摄取，不被土粒表面所吸附，氯盐溶解度大，不易沉淀析出，是地下水中最稳定的离子；

②Cl含量随着矿化度增长而不断增加，Cl的含量常可用来说明地下水的矿化程度。

2）SO42

中等矿化的地下水中，SO42为主要阴离子。

来源：

含石膏（CaSO4·2H2O）或其它硫酸盐的沉积岩的溶解；

②硫化物的氧化：

2FeS2+7O2+2H2O→2FeSO4+4H++2SO42

（黄铁矿）

注意：

由于煤系地层（C–P）常含有很多黄铁矿（硫铁矿），因此流经这类地层的地下水往往以SO42为主；

②金属硫化物矿床附近的地下水中常含有大量的SO42；

煤的燃烧产生大量SO2，与大气中的水汽结合形成含硫酸的降雨→酸雨，从而使地下水中SO42增加；

④在我国能源消耗中，煤占70%以上，我国每年向大气排放的SO2已达1800104t之多，因此，地下水中SO42的这一来源不容忽视。

３）HCO3

低矿化水的主要阴离子。

来源：

含碳酸盐的沉积盐（石灰岩、白云岩）与变质岩（大理盐）：

CaCO3+H2O+CO2→2HCO3+Ca2+

MgCO3+H2O+CO2→2HCO3+Mg2+

②岩浆岩与变质岩地区，HCO3主要来源于铝硅酸盐矿物的风化溶解。

４）Na+

高矿化水中的主要阳离子。

来源：

沉积岩中岩盐及其它钠盐的溶解；

②海水；

③岩浆岩和变质岩地区含钠矿物的风化溶解；

④酸性岩浆岩中大量含钠矿物，在CO2、H2O的参与下，将形成低矿化的以Na+、HCO3为主的地下水。

５）K+

高矿化水中含量较多。

来源与分布特点与Na+相近：

含钾盐类沉积岩的溶解；

②岩浆岩、变质岩中含钾矿物的风化溶解。

在地壳中K与Na的含量相近，但在地下水中K+的含量比Na+少得多，这是因为：

K+大量地参与形成不溶于水的次生矿物（水云母、蒙脱石、绢云母）；

②易为植物所摄取。

由于K+含量少，分析比较费事，所以一般将K+归并到Na+中，不另区分。

６）Ca2+

是低矿化水中的主要阳离子。

来源：

碳酸盐类沉积物及含石膏沉积物的溶解；

②岩浆岩、变质岩中含钙矿物的风化溶解。

７）Mg2+

来源及分布与Ca2+相近：

含镁的碳酸盐类沉积岩（白云盐、泥灰盐）；

②岩浆岩、变质岩中含镁矿物的风化溶解。

Mg2+在低矿化水中通常含量较Ca2+少。

地下水中各种离子的测定方法，参阅《水质分析》的有关书籍。

3．地下水中的其他成分

除主要离子（七大离子）外，地下水中还有其他成分：

1）次要离子：

H+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、NH4+、OH、NO2、NO3、CO32、SiO32、PO43等；

2）微量组分（元素）：

Br、I、F、B、Sr等；

3）胶体成分：

Fe（OH）3、Al（OH）3、H2SiO3等；

4）有机体；

5）微生物：

如氧化环境中存在：

硫细菌、铁细菌；

还原环境中存在：

脱硫酸细菌；

在污水中：

各种致病细菌。

4．地下水的总矿化度及化学成分表示式

总矿化度（总溶解固体）––––地下水中所含各种离子、分子与化合物的总量称为总矿化度（总溶解固体）。

单位：

g/L。

矿化度M––––degreeofmineralization；

总溶解固体TDS––––totaldissolvedsolid。

测定：

一般以105110C时将水蒸干所得的干涸残余物总量来表示矿化度（M）；

②将分析所得阴阳离子含量相加，相加时HCO3只取重量的一半，因为在蒸干时，有近一半的HCO3分解为CO2、H2O而逸失。

总硬度––––水中所含钙离子和镁离子的总量。

地下水水化学成分表示→库尔洛夫式：

将阴阳离子分别标示在横线上。

按毫克当量百分数自大到小顺序排列。

小于10%的离子不予表示：

横线前依次表示气体成分、特殊成分及矿化度（M），三者单位均为g/L，横线后以字母t为代号表示以摄氏计的水温。

如：

6．3地下水的温度

地壳表层可分为3个带：

1）变温带：

受太阳辐射影响，地温随昼夜与季节变化；

2）常温带：

地温接近常数，一般比当地年平均气温高１~2℃；

3）增温带：

受地球内部热流的影响，随深度加大地温升高。

地温梯度（）––––是指每增加单位深度时，地温的增值。

单位：

℃/100m。

地温梯度的平均值为3℃/100m，一般1.5~4℃/100m。

地下水的温度受地温控制：

1）变温带地下水：

水温有较小的季节性变化；

2）常温带地下水：

水温与当地平均气温接近；

3）增温带地下水：

随地温梯度的增加而增加，甚至成为热水。

两个公式：

①利用地温梯度（），概略计算某一深度的地下水水温（T）：

T=t+（Ｈ－h）

式中：

t––––年平均气温；

H––––地下水埋深；

h––––常温带深度。

②利用地下水温（T），推算其大致循环深度（H）：

6．4地下水化学成分的形成作用

地下水主要来源于大气降水，大气降水的矿化度一般为0.02~0.05g/L，进入含水层后，水与岩土作用，矿化度升高，化学成分发生变化。

1．溶滤作用

溶滤作用––––在水与岩土相互作用下，岩土中一部分物质转入地下水中。

溶滤作用的结果：

岩土失去一部分可溶物质；

地下水则补充了新的组分。

影响溶滤作用的因素：

1）岩土中矿物盐类的溶解度：

首先：

NaCl迅速转入水中，SiO2很难溶于水中。

2）岩土的空隙：

空隙发育，溶滤作用强，否则弱。

3）水的矿化度：

低矿化水溶解能力强，而高矿化水溶解能力弱。

4）水中CO2、O2等气体成分：

水中CO2含量愈高，溶解碳酸盐及硅酸盐的能力愈强。

水中O2含量愈高，溶解硫化物的能力愈强。

5）水的流动状况：

停滞的地下水，最终将失去溶解能力；

流动的地下水，经常保持强的溶解能力。

地下水的径流与交替强度是决定溶滤作用强度的最活跃、最关键的因素。

随着溶滤作用的进行：

在时间上：

一个地区经受溶滤作用愈强烈，时间愈长，地下水的矿化度愈低，愈是以难溶离子为其主要成分。

在空间上：

气候愈是潮湿多雨，地质构造的开启性愈好，岩层的导水能力愈强，地形切割愈强烈，地下水的径流与交替愈迅速，地下水的矿化度愈低，难溶离子的相对含量也就愈高。

２．浓缩作用

主要发生在干旱半干旱地区的平原与盆地的低洼处。

当地下水位埋藏较浅时，蒸发强烈，蒸发成为地下水的主要排泄去路。

随着时间的增加，地下水溶液逐渐浓缩，M增大。

随着矿化度的上升，溶解度较小的盐类在水中相继达到饱和而沉淀析出，易溶盐类（如NaCl）的离子逐渐成为水中主要成分。

产生浓缩作用的条件：

1）气候：

干旱半干旱；

2）地势：

低平；

3）地下水位：

埋藏浅；

4）排泄区（从别处带来的盐分在排泄区集聚）。

３．脱碳酸作用

CO2的溶解度随温度升高或压力降低而减小，一部分CO2便成为游离CO2从水中逸出，这便是––––脱碳酸作用。

Ca2+2HCO3→CO2↑+H2O+CaCO3↓

Mg2+2HCO3→CO2↑+H2O+MgCO3↓

结果：

①地下水中HCO3、Ca2、Mg2减少；

②矿化度降低。

４．脱硫酸作用

在还原环境中，当有有机质存在时，脱硫酸细菌使SO42还原为H2S––––脱硫酸作用。

SO42+2C+2H2O→H2S+2HCO3

结果：

①水中SO42减少以至消失；

②HCO3增加，pH值变大。

如：

封闭的地质构造是产生脱硫酸作用的有利环境。

５．阳离子交替吸附作用

岩土颗粒表面带有负电荷，能够吸附阳离子。

一定条件下，颗粒将吸附地下水中某些阳离子，而将其原来吸附的部分阳离子转为地下水中的组分，这便是–––––阳离子交替吸附作用。

（离子在岩土与水之间交替）

不同阳离子吸附能力的大小：

H>Fe3>Al3+>Ca2>Mg2>K>Na

1离子价愈高，离子半径愈大，则吸附能力也愈大，H例外；

2地下水中某种离子的相对浓度愈大，交替吸附作用也就愈强；

3颗粒愈细，比表面积愈大，交替吸附作用也就愈强；

4粘土及粘土岩类最容易发生交替吸附作用。

６．混合作用

混合作用––––成分不同的两种水汇合在一起，形成化学成分与原来两者都不相同的地下水这便是混合作用。

混合作用：

1可能发生化学反应→形成化学类型完全不同的地下水；

2不发生明显的化学反应→取决于参与混合的两种水的化学成分。

７．人类活动在地下水化学成分形成中的作用

1）污染地下水：

工业三废：

废气、废水、废渣，以及农业上大量使用的化肥、农药等，使地下水中含有原来含量很低的有害元素。

2）改变地下水的形成条件，水质发生变化：

过量开采地下水引起海水入侵，不合理灌溉引起次生盐渍化，使浅层水变咸等；引淡补咸使地下水淡化。

6．5地下水化学成分的基本成因类型

不同领域的学者，目前得出一致的结论：

地球上的水圈是原始地壳生成后，氢与氧从地球内部层圈逸出而形成的。

因此，地下水起源于地球深部层圈。

从形成地下水化学成分的基本成因出发，将地下水分为三个主要成因类型：

溶滤水、沉积水和内生水。

1．溶滤水

富含CO2与O2的渗入成因的地下水，溶滤它所流经的岩土而获得其主要化学成分，这种水称之为––––溶滤水。

（地下水的化学成分主要由溶滤作用形成）

1）影响因素：

岩性、气候、地形地貌：

岩性：

1石灰岩、白云岩：

HCO3–Ca、HCO3–Ca–Mg型水；

2含石膏的沉积岩区：

SO4–Ca型水；

3酸性岩浆岩区：

HCO3–Na型水；

4煤系地层、金属硫化物矿床分布区：

SO4型水。

气候：

1潮湿气候区：

易溶组分溶滤带走，最终以难溶组分为主，形成低矿化的重碳酸型水；

2干旱气候下平原、盆地排泄区：

由于盐分不断带来，水分蒸发，盐分积累，最终形成高矿化的氯化物水。

地形地貌：

1切割强烈的山区：

径流强，水交替快，形成低矿化的以难溶离子为主的水；

2地势低平的平原、盆地：

径流微弱，水交替缓慢，形成高矿化的，以易溶离子为主的水。

2）地下水的水平与垂直分带：

干旱地区的山前倾斜平原、盆地（平面上）：

从上到下（垂向上）：

3）构造：

1开启性好：

低M，HCO3型水；

2封闭：

高M，Cl型水。

绝大部分地下水属于––––溶滤水（不论承压水、潜水）。

2．沉积水

沉积水––––是指与沉积物大体同时生成的古地下水。

例子：

海相淤泥沉积水

1海水：

化学成分：

平均矿化度M：

35g/L，

，

（当量，当量比），

（重量比）。

2海相淤泥沉积水：

a.矿化度很高，最高可达300g/L（浓缩作用）；

b.SO42减少（脱硫酸作用）；

c.Ca2+相对含量增大，Na+相对含量减少，

（阳离子交替吸附）；

d.富集Br、I，

变小；

e.出现H2S、CH4等；

f.pH值增高。

3．内生水

内生水––––指来自地球深部层圈的水。

内生水的研究至今还很不成熟。

6．6地下水化学成分的分析内容与分类图示

地下水化学成分的分析是研究地下水化学成分及其形成作用的基础。

工作目的与要求不同，分析项目与精度也不同。

1．分析内容

在水文地质中分为：

简分析、全分析、专门分析。

1）简分析

目的：

了解区域地下水化学成分的概貌。

特点；分析项目少，精度要求低，简便快速，成本不高，技术上容易掌握。

分析项目：

1物理性质：

温度、颜色、透明度、嗅味、味道等；

2定量分析：

HCO3、SO42、Cl、Ca2、Mg2，总硬度、pＨ值；

3通过计算求得：

其它主要离子：

K+Na、总矿化度Ｍ；

4定性分析：

NO3、NO2、NH4+、Fe2+、Fe3+、H2S、耗氧量等。

方法：

1可在野外利用专门水质分析箱进行；

2取水样送实验室分析。

2）全分析

目的：

全面地了解地下水的化学成分。

通常在简分析的基础上选择有代表性的水样进行全分析。

特点：

分析项目较多，要求精度高。

定量分析：

HCO3、SO42、Cl、CO32、NO2、NO3、Ca2、Mg2、K、Na、NH4+、Fe2+、Fe3+、H2S、CO2、耗氧量、pH值、干涸残余物TDS。

同时分析地表水。

因为：

大气降水：

为地下水主要补给来源，因所含物质数量很少，一般不考虑。

有关浓度的概念：

3当量浓度：

当量浓度（N）：

指1L溶液中所含溶质的克当量数（水分析中常用单位：

mgE/L）。

用下式表示：

（一般为1L水）

其中：

（1L水）

4体积摩尔浓度

摩尔质量：

某原子的摩尔质量等于用g/mol表示的，而在数值上和某元素原子量相同的质量。

（水分析中常用单位：

mg/mmol）.

体积摩尔浓度（M）：

指1L溶液中所含溶质的摩尔数（n）（水分析中常用单位：

mmol/L）。

用下式表示：

（一般为1L水）

其中：

（1L水）

上式某离子的（mmol）%与前面式子中的某离子的（mgE）%在数值上是相等的。

2．地下水化学分类与图示方法（按地下水化学成分分类）

1）舒卡列夫分类

前苏联学者舒卡列夫，根据地下水中六种主要离子（K合并于Na中）及矿化度划分。

①根据离子含量

对含量大于25%毫克当量的阴离子、阳离子进行组合，共分成49型水，每型以一个阿拉伯数字为代表（P62，表6-2）。

②按矿化度又分为４组：

A组：

M<1.5g/L；

B组：

M=1.5~10g/L；

C组：

M=10~40g/L；

D组：

M>40g/L。

由表P62，6–2，从左上角→右下角，矿化度由小→大。

如：

1–A型水，即矿化度<1.5g/L的HCO3–Ca型水，为石灰岩地区典型的溶滤水。

一般书写时，

（1）阴离子在前，阳离子在后；

（2）含量大的在前，含量小的在后。

如：

HCO3–SO4–Ca型水；HCO3–Ca–Mg型水等。

习惯上我们说：

1–A型水（M<1.5g/L），为低矿化的HCO3–Ca型水；49–D型水（M>49g/L），为高矿化的Cl–Na型水。

实际工作中用数字表示水型不方便，而是将阴离子放在前，阳离子放在后（离子含量>25%毫克当量的参加命名，且书写时省略离子符号），中间用横线连接，阴、阳离子中有两个以上毫克当量百分数>25％时，则含量大的在前，小的在后，中间用横线连接。

如：

HCO3–SO4–Ca–Mg型水。

特点：

简明易懂，在我国广泛应用。

缺点：

①以离子含量>25％毫克当量作为划分水型的依据，有人为性；

②反映水质变化不够细致（<25%不考虑）。

2）Piper三线图解

Piper三线图解由两个三角形和一个菱形组成（P62，图６–４），左下角三角形的三条边分别代表阳离子K++Na+、Ca2、Mg2的毫克当量%；右下角三角形三条边分别表示阴离子HCO3、SO42、Cl的毫克当量%；菱形表示阴、阳离子组合的相对含量（毫克当量%）。

三角形刻度增加的方向：

阳离子按顺时针方向增加（Ca2、Mg2、K++Na+）；阴离子按逆时针方向增加（Cl、SO42、HCO3）

矿化度的大小用圆圈大小表示：

圆圈大，M大；圆圈小，M小。

一般情况下，在实际工作中仅使用菱形表示地下水化学成分中阴、阳离子组合的相对含量。

其中一对平行边为阳离子的组合；另一对平行边为阴离子的组合。

刻度增加的方向：

向上（Ca2＋Mg2，SO42＋Cl）或向下（K+＋Na，HCO3＋CO32）。

优点：

①不受人的影响；

②可以分析地下水化学成分的演变规律。

思考题

1.总溶解固体？

2.地温梯度?

3.溶滤作用？

4.浓缩作用？

5.脱碳酸作用？

6.脱硫酸作用？

7.阳离子交替吸附作用？

8.混合作用？

9.溶滤水？

10.沉积水？

11.内生水？

12.总硬度？

13.地下水中含有各种、、、以及微生物等。

14.地下水中常见的气体成分有、、、及等。

15.地下水中分布最广、含量较高的阴离子有、及等。

16.地下水中分布最广、含量较高的阳离子有、、及等。

17.一般情况下，低矿化水中的离子常以及、为主；高矿化水则以

及为主。

18.一般情况下，中等矿化的地下水中，阴离子常以为主，主要阳离子

可以是，也可以是。

19.地下水化学成分的形成作用有、、、脱硫酸作用、阳离子交替吸附作用和混合作用。

20.据地下水化学成分的成因类型，可将地下水分为、和

。

21.在低矿化水中，阴离子以重碳酸盐为主，阳离子以钙离子、镁离子为主。

随着蒸发浓缩，溶解度小的钙、镁的碳酸盐部分析出，及逐渐成为主要成分，继续浓缩，水中硫酸盐达到饱和并开始析出，便将形成以、为主的高矿化水。

22.当含钙为主的地下水，进入主要吸附有钠离子的岩土时，水中的钙离子便置换岩土所吸附的一部分，使地下水中增多而减少。

23.地下水的物理性质主要包括：

、、、和。

24.根据受热源影响的情况，地壳表层可分为变温带、和三个带。

25.研究地下水中气体成分的意义？

26.地下水中二氧化碳气体来源？

27.地下水中含有不同的气体成分时，各反映什么样的地球化学环境？

28.地下水中氯离子的主要来源？

29.地下水中氯离子的特点有哪些?

30.地下水中硫酸根离子和重碳酸根离子的来源?

31.地下水中钠离子和钾离子的来源?

32.为什么地下水中钾离子含量比钠离子含量少的多？

33.地下水中钙离子和镁离子的来源?

34.地下水中的总溶解固体与各离子含量有什么关系?

35.简述利用库尔洛夫式反映水的化学特点的方法?

36.影响溶滤作用强度的因素有哪些?

37.自然界地下水化学成分的形成作用有哪些?

38.为什么高矿化水中以易溶的氯离子和钠离子占优势?

39.产生浓缩作用必须具备哪些条件?

40.为什么粘土及粘土岩类最容易发生交替吸附作用?

41.地下水简分析的项目有哪些?

42.地下水全分析项目有哪些?

43.研究地下水化学成分的意义?

44.氯化物最易溶解于水中，而为什么多数地下水中检出的是难溶的碳酸盐和硅酸盐成分?

45.溶滤水的化学成分受哪些因素影响？

如何影响?

46.海相淤泥沉积水与海水有什么不同?

47.叙述地下水化学成分舒卡列夫分类的原则？

命名方法及优缺点?

48.Piper三线图解？

49.某地地面标高为100米，多年平均气温为10度，常温带距地面20米，增温带的地温梯度为4度/100米，试计算地面下2000米的地温。

50.某一由第四纪沉积物覆盖下的花岗岩中出露的温泉，其库尔洛夫式为：

，其补给区地下水的库尔洛夫式为：

，试分析由补给区到排泄区地下水可能经受的化学成分形成作用。

51.试鉴别下述分析结果应属何种水？

水分析结果（单位为毫克／升）：

K=387，Na=10700，Ca2=420，Mg2=1300，Cl=19340，SO42=2088，HCO3=150，Br=66（有关元素的原子量为：

K=39，Na=23，Ca=40，Mg=24．3，Cl=36．45，S=32，C=12，O=16，Br=79．9，H=1）。

52.已知一水样pH=7.5，t=16C，M=0.36g/L，其主要离子含量如下表：

Na

Ca2

Mg2

HCO3

SO42

Cl

mg/L

55.24

31.00

6.08

250.18

11.53

3.88

mgE/L

mgE%

注：

元素的原子量为Na=23，Ca＝40，Mg=24，H=1，C=12，O=16，S=32，Cl=35；mgE为毫克当量。

（1）写出该水样的库尔洛夫水化学表示式；

（2）确定该水样的水化学类型（按舒卡列夫分类）。

53.请用水文地球化学理论解释下列现象：

（1）油田水中含H2S，NH4浓度高，SO42和NO3含量很低；

（2）某供水井抽出的地下水进入水池后，开始为透明无色，不久出现土红色絮状悬浮物；（3）灰岩地区泉口出现钙华。