第四章 地下水化學(xué)成分的分類和分帶

1、第四章第四章 地下水化學(xué)成分地下水化學(xué)成分 分類和分帶分類和分帶 4.1 地下水中元素（組分）的遷移地下水中元素（組分）的遷移 4.2 地下水化學(xué)成分分類地下水化學(xué)成分分類 4.3 地下水化學(xué)成分的分帶性地下水化學(xué)成分的分帶性 目 錄 4.1 地下水中元素（組分）的遷移地下水中元素（組分）的遷移 一、元素的遷移一、元素的遷移 定義：定義：元素由一種存在形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N存在形式，元素由一種存在形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N存在形式， 并伴隨著一定的空間位移的運動過程。并伴隨著一定的空間位移的運動過程。 類型：類型： 機械遷移：機械遷移：水，空氣（流動）水，空氣（流動） 化學(xué)與物理化學(xué)遷移：化學(xué)與物理化學(xué)遷移：

2、硅酸鹽熔體，水及水溶液，氣體硅酸鹽熔體，水及水溶液，氣體 生物或生物地球化學(xué)遷移：生物或生物地球化學(xué)遷移：植物吸收（濕地法），根系植物吸收（濕地法），根系CO2 地下水是元素在地殼中遷移的重要介質(zhì)；地下水是元素在地殼中遷移的重要介質(zhì)； 地下水中元素的遷移：地下水中元素的遷移： 元素從礦物、巖漿、氣體、生命體等物質(zhì)元素從礦物、巖漿、氣體、生命體等物質(zhì)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移到地下水；到地下水； 元素進入地下水后由于各種因素引起的遷移。元素進入地下水后由于各種因素引起的遷移。 元素的遷移作用是水文地球化學(xué)分帶和地下元素的遷移作用是水文地球化學(xué)分帶和地下 水化學(xué)成分變化的制約因素；研究元素在地下水水化學(xué)成分變化的制

3、約因素；研究元素在地下水 中的遷移是水文地球化學(xué)研究的重要內(nèi)容之一。中的遷移是水文地球化學(xué)研究的重要內(nèi)容之一。 二、元素在地下水中的遷移形式二、元素在地下水中的遷移形式 （一）元素在地下水中存在形式（一）元素在地下水中存在形式 （復(fù)習(xí)）水按所含成分的顆粒大小分類（復(fù)習(xí)）水按所含成分的顆粒大小分類 （復(fù)習(xí)）地下水中溶解組分的存在形式（復(fù)習(xí)）地下水中溶解組分的存在形式 問題：在地下水中，哪些元素在什么環(huán)境條件下以問題：在地下水中，哪些元素在什么環(huán)境條件下以 哪種形式存在呢？其主要控制因素有哪些？哪種形式存在呢？其主要控制因素有哪些？ 顆粒大小分類顆粒大小分類 溶解組分的存在形式溶解組分的存在形式

4、單一離子形式單一離子形式： Ca2+， Mg2+, Na+, K+, Cl-, F- 絡(luò)陰離子形式絡(luò)陰離子形式： HCO3-, SO42- , CO3 2 -, NO3 2 - 復(fù)雜絡(luò)合物（離子對）復(fù)雜絡(luò)合物（離子對）：有機，無機：有機，無機 無機組分無機組分i 的總濃度的總濃度 C i =C（游離離子）（游離離子）+ C（無機絡(luò)合物）（無機絡(luò)合物） C （有機絡(luò)合物）（有機絡(luò)合物） 游離離子游離離子 主要取決于主要取決于: (1) 元素的離子性質(zhì)（化學(xué)性質(zhì)）元素的離子性質(zhì)（化學(xué)性質(zhì)） 元素元素/離子離子離子在水中同離子在水中同H+爭爭 奪奪O2-的能力的能力 存在形式存在形式 電價低的較大陽

5、離電價低的較大陽離 子（堿金屬、堿土子（堿金屬、堿土 金屬）金屬） 弱弱自由離子自由離子 （單一離子）（單一離子） 電價高的小陽離子電價高的小陽離子 (Cr, Al) 強強絡(luò)陰離子絡(luò)陰離子 （從（從OH-奪出奪出O2- ，并與之結(jié)合形成酸，并與之結(jié)合形成酸 根）根） 界于上兩類的其它界于上兩類的其它 元素（兩性元素）元素（兩性元素） 的離子的離子(Fe, Mn, ) 稍弱或接近稍弱或接近不固定不固定（隨溶液酸堿度變化）隨溶液酸堿度變化） 堿性溶液：堿性溶液：絡(luò)陰離子絡(luò)陰離子 酸性溶液：自由離子或氫氧化物酸性溶液：自由離子或氫氧化物 (2) 還取決于地下水的酸堿度還取決于地下水的酸堿度 離子電位

6、：離子電位：以原子價單位表示的離子電荷以原子價單位表示的離子電荷Z（陽離（陽離 子）與以埃表示的離子半徑子）與以埃表示的離子半徑r之比。之比。 離子電位離子電位 = Z（原子價）（原子價）/ r（離子半徑）（離子半徑） 離子電位低的元素（離子）（離子電位低的元素（離子）（Z/r 12) , 絡(luò)陰離子絡(luò)陰離子 離子電位中等的元素（離子）（離子電位中等的元素（離子）（Z/r = 312) ，不固定；，不固定； 形成絡(luò)合物形成絡(luò)合物 兩性元素兩性元素 Fe3+ Mn4+ U, Th, Sn, W 形成絡(luò)合物形成絡(luò)合物 不固定 氫氧化物 沉淀 還取決于地下水的還取決于地下水的 氧化還原電位氧化還原電位

7、 （二）（二） 元素在地下水中的遷移形式元素在地下水中的遷移形式 （1）元素的真溶液遷移形式）元素的真溶液遷移形式 在真溶液中，元素可以以自由離子、絡(luò)陰離子和在真溶液中，元素可以以自由離子、絡(luò)陰離子和 絡(luò)合物的形式遷移；絡(luò)合物的形式遷移； 許多成礦元素在溶液中是以許多成礦元素在溶液中是以絡(luò)合物絡(luò)合物形式遷移的形式遷移的 成礦元素的簡單化合物都是很難溶解的成礦元素的簡單化合物都是很難溶解的 （例如：成（例如：成 礦元素的硫化物溶解度很低；氧化物和含氧鹽很難溶解），礦元素的硫化物溶解度很低；氧化物和含氧鹽很難溶解）， 因此，如果金屬和硫都是呈自由離子形式，則立即會超過化合物的溶度因此，如果金屬和硫

8、都是呈自由離子形式，則立即會超過化合物的溶度 積而沉淀。積而沉淀。 那么金屬硫礦床形成過程中元素是以什么形式遷移的？那么金屬硫礦床形成過程中元素是以什么形式遷移的？ 許多元素的許多元素的絡(luò)合物絡(luò)合物比簡單化合物在溶液中的溶解度明顯增大。比簡單化合物在溶液中的溶解度明顯增大。 在熱液和表生成礦溶液遷移過程中，這些元素呈在熱液和表生成礦溶液遷移過程中，這些元素呈絡(luò)合物絡(luò)合物形式遷移。形式遷移。 例例1：鈾從鈾從UO2(OH)2 UO2(CO3)22-、UO2(CO3)2(H2O)22- 溶解度增溶解度增 大，沉淀條件也發(fā)生變化大，沉淀條件也發(fā)生變化 例例2： NaSn(F,OH)6、(K,Na)2

9、WO2F4和和(K,Na)2MoO4就是錫、鎢、就是錫、鎢、 鉬在熱液中可能的遷移形式。鉬在熱液中可能的遷移形式。 （2）膠體溶液遷移形式）膠體溶液遷移形式 膠體的性質(zhì)：膠體的性質(zhì)： 比表面積大；比表面積大； （因此具有很大的表面能、表面電力和吸附能力）（因此具有很大的表面能、表面電力和吸附能力） 膠體的質(zhì)點帶有一定電荷膠體的質(zhì)點帶有一定電荷 同一種膠體的質(zhì)點在溶液中由于相同電荷排斥不同一種膠體的質(zhì)點在溶液中由于相同電荷排斥不 易凝聚和沉淀易凝聚和沉淀, 有利于元素遷移有利于元素遷移; 膠體質(zhì)點電荷被中和時膠體質(zhì)點電荷被中和時, 膠體就會發(fā)生凝聚和沉膠體就會發(fā)生凝聚和沉 淀淀; 膠體質(zhì)點具有從

10、介質(zhì)中吸附各種元素的離子的能膠體質(zhì)點具有從介質(zhì)中吸附各種元素的離子的能 力力, 從而造成元素的集中或富集從而造成元素的集中或富集. 三、標(biāo)型元素及元素的水遷移環(huán)境三、標(biāo)型元素及元素的水遷移環(huán)境 （一）標(biāo)型元素（一）標(biāo)型元素 對某種對某種地球化學(xué)環(huán)境地球化學(xué)環(huán)境或或地球化學(xué)過程地球化學(xué)過程的性質(zhì)的性質(zhì) 具有具有標(biāo)識性標(biāo)識性的化學(xué)元素、離子和化合物，稱為標(biāo)的化學(xué)元素、離子和化合物，稱為標(biāo) 型元素、標(biāo)型離子和標(biāo)型化合物。型元素、標(biāo)型離子和標(biāo)型化合物。 標(biāo)型元素分組（兩個基本組）：標(biāo)型元素分組（兩個基本組）： 空氣遷移的標(biāo)型元素空氣遷移的標(biāo)型元素 水遷移的標(biāo)型元素水遷移的標(biāo)型元素 （二）空氣遷移的標(biāo)型

11、元素（二）空氣遷移的標(biāo)型元素 以以氣態(tài)氣態(tài)形式遷移，氧、二氧化碳、硫化氫、甲烷等。形式遷移，氧、二氧化碳、硫化氫、甲烷等。 空氣遷移的標(biāo)型元素（氣體）主要影響（或反映）了空氣遷移的標(biāo)型元素（氣體）主要影響（或反映）了 表生過程的表生過程的氧化還原條件氧化還原條件。 根據(jù)空氣遷移元素的組成，可區(qū)分出表生帶三種主要根據(jù)空氣遷移元素的組成，可區(qū)分出表生帶三種主要 的氧化的氧化還原環(huán)境：還原環(huán)境： 氧化環(huán)境氧化環(huán)境；無硫化氫的還原（潛育）環(huán)境無硫化氫的還原（潛育）環(huán)境；硫化氫還原環(huán)境硫化氫還原環(huán)境 由硫化氫含量所決定，而不取決于由硫化氫含量所決定，而不取決于 氧化還原電位值。氧化還原電位值。 氧化還原

12、氧化還原 環(huán)境環(huán)境 特點特點 標(biāo)型元素標(biāo)型元素 氧化環(huán)境氧化環(huán)境 水中存在自由氧或其它強氧化劑；水中存在自由氧或其它強氧化劑； 變價元素處于高度氧化狀態(tài)（變價元素處于高度氧化狀態(tài)（Fe3+, Mn4+, Cu2+, V5+, S6+）; 巖體染成紅、棕、黃色；巖體染成紅、棕、黃色； Eh值一般值一般0.15 V 氧氧 無硫化氫還原無硫化氫還原 環(huán)境環(huán)境 水中不含自由氧或其它強氧化劑或只含少量氧水中不含自由氧或其它強氧化劑或只含少量氧（ 3 mg/L), 不含不含H2S（1 mg/L），含），含CO2； Fe, Mn處于低價態(tài)（處于低價態(tài)（ Fe2+, Mn2+），易移動；），易移動； 巖體呈淡

13、綠色、灰色和蘭色；巖體呈淡綠色、灰色和蘭色； Eh值一般值一般 0.15 V 二氧化碳；二氧化碳； 有的地方還有的地方還 有甲烷有甲烷 硫化氫還原硫化氫還原 環(huán)境環(huán)境 水中不含自由氧或其它強氧化劑，但含大量水中不含自由氧或其它強氧化劑，但含大量H2S； Fe和其它許多金屬不移動；和其它許多金屬不移動； Eh值一般值一般 0 V 硫化氫；甲硫化氫；甲 烷和其它碳烷和其它碳 氫化合物氫化合物 根據(jù)空氣遷移元素組成劃分的三種氧化還原環(huán)境根據(jù)空氣遷移元素組成劃分的三種氧化還原環(huán)境 （三）水遷移的標(biāo)型元素（三）水遷移的標(biāo)型元素 以以真溶液或膠體真溶液或膠體遷移，遷移，Cl-、SO42-、 HCO3-、

14、Na+、Ca2+、 Mg2+等等 水遷移的標(biāo)型元素在很大程度上決定著天然水的水遷移的標(biāo)型元素在很大程度上決定著天然水的酸酸-堿條堿條 件件。 根據(jù)水遷移元素的組成，水遷移環(huán)境可劃分為根據(jù)水遷移元素的組成，水遷移環(huán)境可劃分為6個類型個類型 水遷移環(huán)境水遷移環(huán)境 標(biāo)型離子標(biāo)型離子 強酸型強酸型(pH 4) 標(biāo)型離子是標(biāo)型離子是H+，局部為，局部為SO42-，F(xiàn)e3+等，等， 主要為硫化礦床氧化帶的水主要為硫化礦床氧化帶的水 酸型（酸型（ 4 pH 6.5） 標(biāo)型離子是標(biāo)型離子是H+，有機酸陰離子，有機酸陰離子 中性和弱堿性重碳酸鈣型中性和弱堿性重碳酸鈣型 （ pH =6.58.5） 標(biāo)型離子是標(biāo)型

15、離子是Ca2+和和 HCO3- 中性和弱堿性氯化物中性和弱堿性氯化物硫硫 酸鹽型酸鹽型 標(biāo)型離子是標(biāo)型離子是Cl-、SO42-和和Na+ 中性和弱堿性石膏型中性和弱堿性石膏型 標(biāo)型離子是標(biāo)型離子是Ca2+和和SO42- 堿性蘇打型（堿性蘇打型（pH 8.5） 標(biāo)型離子是 標(biāo)型離子是HCO3-，Na+ 根據(jù)水遷移元素組成劃分的水遷移環(huán)境類型根據(jù)水遷移元素組成劃分的水遷移環(huán)境類型 四、地球化學(xué)壘四、地球化學(xué)壘 定義：定義：表生帶內(nèi)在短距離內(nèi)元素遷移的條件表生帶內(nèi)在短距離內(nèi)元素遷移的條件明顯改變明顯改變，并，并 導(dǎo)致化學(xué)元素導(dǎo)致化學(xué)元素濃集濃集的地段。的地段。 類型：類型：根據(jù)其形成原因，分為：根據(jù)其形成原因，分