最新地下水的物理性質(zhì)及化學(xué)成分

1、 第一節(jié) 地下水的物理性質(zhì)第二章第二章 地下水的物理性質(zhì)及化學(xué)成分地下水的物理性質(zhì)及化學(xué)成分第二節(jié) 地下水的化學(xué)成分 第三節(jié) 地下水化學(xué)成分的形成和變化 第四節(jié) 地下水化學(xué)成分的研究方法第一節(jié)第一節(jié) 地下水的物理性質(zhì)地下水的物理性質(zhì)一、地下水的溫度一、地下水的溫度二、地下水的顏色二、地下水的顏色三、地下水的透明度三、地下水的透明度四、地下水的嗅（氣味）四、地下水的嗅（氣味） 五、地下水的味（味道）五、地下水的味（味道）六、地下水的比重六、地下水的比重地下水的物理性質(zhì)包括溫度、顏色、透明度、嗅、味、比重、導(dǎo)電性及放射性等。它在一定程度上反映了地下水的化學(xué)成分及其存在的環(huán)境條件。發(fā)揮人的感覺器官，

2、相對應(yīng)：眼睛看一看（二，三），鼻子聞一聞（四），嘴巴嘗一嘗（五），觸覺體會一下溫度（一，六）等。一、地下水的溫度一、地下水的溫度 水溫變化范圍可達(dá)100以上。在寒帶寒帶和多年積雪地帶，淺層的地下水溫可低達(dá)-5以下；在溫帶溫帶和亞熱帶的平原、丘陵區(qū)淺層地下水的年平均溫度一般接近于當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?；在火山活動地區(qū)及地殼深處，地下水的溫度很高，可超過100。如我國廣東豐良地區(qū)在地下800m深處，打出了103.5的熱水。地下水溫度的差異主要取決于地下水埋藏的地溫條件。按地溫的分布狀態(tài)分三帶：變溫帶、常溫帶、增溫帶 1）變溫帶 位于地殼的最表層，其溫度變化受太陽輻射熱的控制。 本帶厚度本帶厚度各地不一，從

3、十幾米到幾十米變化，一般為1520m。 特點特點具周期性變化：如晝夜晝夜變化、年年變化及多年多年變化等。其溫度的變化幅度隨深度的增加而遞減。此帶地下水的溫度具有周期性日變化和季節(jié)變化的特點。 2）常溫帶 指地溫的年變化幅度變化幅度0.1的地帶。 一般年常溫帶年常溫帶的溫度溫度略高于當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?，在相?dāng)于海平面的地區(qū)約高0.8，在海拔200500m的地區(qū)約高12。年常溫帶實質(zhì)上是實質(zhì)上是太陽輻射熱與地球內(nèi)熱共同影響的熱平均帶。此帶地下水的溫度表現(xiàn)為周期性年變化的特點，地下水溫度與當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁叵嘟?，水溫變化幅度一般不超過1。 深度深度與地表溫度的年變化幅度、巖石及土壤的物理性質(zhì)、水文地質(zhì)條件等

4、因素有關(guān)。 3）增溫帶 溫度受地球內(nèi)熱的影響。般地，水溫隨深度增加而增高。 計算計算：水溫根據(jù)地溫梯度、年常溫帶深度及當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?，概算?（2-1） 式中 th h深度處地下水的溫度，； t當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?，?g地溫梯度，/100m。一般值為1.54/100m； h地下水循環(huán)深度，m； h年常溫帶的深度，m。 可反求出地下水循環(huán)的深度。 ghhtth 地溫梯度隨地區(qū)地質(zhì)條件的不同而不同，如淮南煤田潘集井田、邯邢煤田的梧東井田以及平頂山煤田等，經(jīng)大量鉆孔證實，背斜軸部地溫往往高于兩翼。如平頂山煤田在背斜軸部的平均地溫梯度為56/100m，向兩翼逐漸降低；梧東井田斷層上盤溫度低于斷層下盤，其地

5、溫值受到斷層面的控制。不同地區(qū)的地溫梯度變化于0.610/100m之間。地下水的溫度對地下水的化學(xué)成分有很大影響。水溫增高，化學(xué)反應(yīng)速度和溶解度也增高。如水溫增高10時，水分子的擴散速度約增加20，化學(xué)反應(yīng)速度增加23倍。一般鹽類在水中的溶解度隨溫度的增高而增大。過冷水0冷水 020熱水 低溫?zé)崴?2040中溫?zé)崴?4060中高溫?zé)崴?080高溫?zé)崴?80100低溫過熱水100按地下水的溫度分二、地下水的顏色二、地下水的顏色 地下水一般是無色的水中含有成分成分呈現(xiàn)色澤呈現(xiàn)色澤h2s翠綠色含低鐵fe2+淺綠灰色含高鐵fe3+黃褐色或銹色硫細(xì)菌紅色錳的化合物暗紅色腐植酸暗或黑黃色帶熒光粘土無熒光的

6、淡黃色懸浮物懸浮物本身的顏色三、地下水的透明度三、地下水的透明度 常見的地下水一般是透明的 透明度取決于:固體與膠體懸浮物的含量。 按透明度地下水分四、地下水的嗅（氣味）四、地下水的嗅（氣味）一般地下水是無嗅的含氣體含氣體或有機質(zhì)或有機質(zhì)具特殊的氣味具特殊的氣味h2s腐蛋味含低鐵fe2+鐵腥味有機質(zhì)魚腥臭味腐植質(zhì)沼澤味“氣味”的強弱與溫度有關(guān)，鑒別氣味時，一般將水加熱至40，這時氣味最為顯著。低溫時氣味不易嗅別 五、地下水的味（味道）五、地下水的味（味道） 水中含鹽分（各種物質(zhì)，礦化度） 過低時水淡而無味， 過多時水不適口。水中含有化學(xué)成分成分味道味道nacl咸味na2so4澀味mgcl2、m

7、gso4苦味鐵較多鐵銹味co2水味清涼可口六、地下水的比重六、地下水的比重 地下水的比重近于1：取決于水中所含鹽分的多少。當(dāng)水中溶解了較多的鹽分時，比重可達(dá)1.21.3。 地下水的導(dǎo)電性及放射性： 導(dǎo)電性取決于含電解質(zhì)的數(shù)量與性質(zhì)（即各種離子的含量與離子價），離子含量越多，離子價越高，則水的導(dǎo)電性就越強。 放射性取決于其中放射性物質(zhì)的含量，地下水不同程度上或多或少地都具有放射性，但其含量一般極微，循環(huán)于放射性礦床的地下水其放射性相應(yīng)增強。第二節(jié)第二節(jié) 地下水的化學(xué)成地下水的化學(xué)成分分一、地下水的化學(xué)成一、地下水的化學(xué)成分分60多種二、地下水的化學(xué)性質(zhì)二、地下水的化學(xué)性質(zhì)（一）地下水中的主要離子

8、成分 7 （二）地下水中的主要氣體成分（三）地下水中的膠體成分（四）地下水中的有機質(zhì)及細(xì)菌成分1.地下水的酸堿性 ph2.地下水的總礦化度 m3.地下水的硬度 4.地下水的侵蝕性1 1氯離子（氯離子（clcl- -）2 2硫酸根離子（硫酸根離子（soso4 42-2- ）3 3重碳酸根離子（重碳酸根離子（hcohco3 3- -）4 4鈉離子（鈉離子（nana+ +）5 5鉀離子（鉀離子（k k+ +）6 6鈣離子（鈣離子（caca2+2+）7 7鎂離子（鎂離子（mgmg2+2+）.常見的離子成分常見的離子成分 （一）地下水中的主要離子成分cl-、so42-、hco3-、k+、na+、ca2+

9、、mg2+這七種，占絕對優(yōu)勢其決定地下水化學(xué)成分的基本類型和特點。 1 1. .氯離子（氯離子（clcl- -） 分布很廣，含量變化大，數(shù)mg/l至數(shù)百mg/l。 源于巖鹽礦床和其它含氯化物的沉積巖的溶解， 其次來源于巖漿巖的一些含氯礦物如氯磷灰石（ca5(po4)3cl）、方鈉石（naaisio4nacl）等礦物的風(fēng)化溶濾。 此外廢水、污水的滲入， 動物排泄物和動物尸體腐爛 一般在居民點、工業(yè)區(qū)及其附近，地下水中cl- -含量往往相應(yīng)增高。2 2. .硫酸根離子（硫酸根離子（soso4 42-2- ） soso4 42-2-分布較廣，含量較多，幾分布較廣，含量較多，幾mg/lmg/l至數(shù)十至

10、數(shù)十mg/lmg/l來源：來源：soso4 42-2-源于石膏及其它含硫酸鹽的沉積物的溶解，源于石膏及其它含硫酸鹽的沉積物的溶解， 其次源于天然硫及含硫礦物（如黃鐵礦等）的氧化：源于天然硫及含硫礦物（如黃鐵礦等）的氧化： 2fes2fes2 2+7o+7o2 2+2h+2h2 2o2fesoo2feso4 4+4h+4h+ +2so+2so4 42-2- 2s+3o 2s+3o2 2+2h+2h2 2o4ho4h+ +2so+2so4 42-2-此外，有機物的分解。，有機物的分解。在居民點附近地下水中的在居民點附近地下水中的soso4 42-2- 含量較高，常常與地下水的污染有關(guān)。含量較高，常

11、常與地下水的污染有關(guān)。3.重碳酸根離子（hco3-）hco3-分布廣，含量不高，一般1g/l。hco3-是低鹽量地下水的主要成分。來源:碳酸鹽類如石灰?guī)r、白云巖或泥灰?guī)r的溶解： caco caco 3 3 + h+ h2 2o + co o + co 2 2 ca ca2 2+ + +2hco +2hco3 3- camgcamg（coco3 3）2 2 +2h +2h2 2o +2co o +2co 2 2 caca2+2+ + mg+ mg2+2+ + 4hco + 4hco3 3- 陰離子中，由于氯化物的溶解度大，ci-含量隨地下水中含鹽量的增加而增大；而碳酸鹽的溶解度很低，只有當(dāng)水中存

12、在co2時才較易溶于水，所以hco3-的含量一般不高?；谶@個原因，常常將cl-、hco3-作為地下水含鹽量多寡的標(biāo)志。以cl- 為主要成分的地下水，其含鹽量較高，為咸水；以hco3-為主要成分的地下水，其含鹽量較低，為淡水。4.鈉離子(na+) 分布很廣，含量變化大，數(shù)mg/l至數(shù)十g/l，具有隨地下水含鹽量增高而增加的特點。 na+主要來源于巖鹽及含鈉鹽的海相沉積巖的溶解，其次來自巖漿巖、變質(zhì)巖中含鈉礦物的溶解和氧化，如鈉長石（naalsi3o8）的風(fēng)化： 2naalsi2naalsi3 3o o8 82h2h2 2o ococo2 2 h h2 2alal2 2sisi2 2o o8 8

13、h h2 2o onana2 2coco3 34sio4sio2 2 nana2 2coco3 3h h2 2o 2nao 2na+ +hcohco3 3- -ohoh- -nana+ +在水中主要與cl-伴存，有時也與so42-及co32-伴存。5.鉀離子（k+）k+ 的來源與na+相同。鉀鹽的溶解度很大，但含量卻不高，常為na+含量的410，這是因為k+易被植物吸收，易被粘土膠體吸附，同時還易生成不溶于水的次生礦物（如水云母）的緣故。 6.6.鈣離子（鈣離子（caca2 2+） ca2+分布很廣，絕對含量不高，是含鹽量低的地下水中的主要成分。主要來源于碳酸鹽類巖石（如石灰?guī)r、白云巖）及含石

14、膏巖石的溶解，ca2+在水中常與hco3-及so42-伴存。7.鎂離子（mg2+） mg2+分布廣，但絕對含量不高。 mg2+主要來源于白云巖的溶解以及巖漿巖、變質(zhì)巖中含鎂礦物的風(fēng)化： mgsio3（頑火輝石）（頑火輝石）+ h2o + co2 mgco3 + h2sio3 mgco3 + h2o + co2 mg2+ +hco3- 鎂鹽的溶解度大于鈣鹽，mg2+常少于ca2+ 因為因為鎂在地殼中的含量較鈣少，同時鎂又易為植物吸收，并參與許多硅酸生成的緣故 （二）地下水中的主要氣體成分地下水中的主要氣體成分有o2、n2、co2、h2s及ch4等。o2、n2主要來源大氣及含葉綠素細(xì)菌的生物活動.

15、因此在近地表的地下水中，o2、n2含量較大，越往深處，其含量越小。h2s、ch4 4通常是在缺氧的條件下（如封閉的地質(zhì)構(gòu)造中），當(dāng)有機物存在時的生物化學(xué)還原作用的產(chǎn)物。h2s、ch4常見于深層地下水中，在油田水中其含量往往較高。co2來源復(fù)雜，1）大氣，2）土壤的生物化學(xué)作用生成。3）在火山或巖漿活動地帶，碳酸鹽遇熱分解，生成： caco3 cao + co2 水中氣體成分的不同能反映地下水成因。如水中氣體以o2及n2為主，說明是以大氣降水滲入補給形成；水中含ch4、h2s較多，說明儲存于封閉的地質(zhì)構(gòu)造中。在水文地球化學(xué)環(huán)境的研究過程中，地下水中溶解氧的研究有很大意義，含溶解氧多的地下水說明其

16、處于氧化環(huán)境，含h2s多的水說明其處于缺氧的還原環(huán)境。（三）地下水中的膠體成分 地下水中膠體成分雖然很多，但由于許多膠體不穩(wěn)定，地下水中膠體成分雖然很多，但由于許多膠體不穩(wěn)定，易生成次生礦物而沉淀（如易生成次生礦物而沉淀（如a a(oh)(oh)3 3膠體易生成水礬膠體易生成水礬土、葉臘石沉淀），有的膠體溶解度很?。ㄈ缤?、葉臘石沉淀），有的膠體溶解度很?。ㄈ鐂iosio2 2），），故一般膠體在地下水中含量很低。地下水中的膠體成故一般膠體在地下水中含量很低。地下水中的膠體成分主要來源于有關(guān)礦床的風(fēng)化分解。分主要來源于有關(guān)礦床的風(fēng)化分解。 （四）地下水中的有機質(zhì)及細(xì)菌成分（四）地下水中的有機質(zhì)及

17、細(xì)菌成分有機質(zhì)及細(xì)菌成分很廣，淺層、深層地下水（尤其在油田水）中。有機質(zhì)及細(xì)菌成分很廣，淺層、深層地下水（尤其在油田水）中。主要來源于生物遺體的分解，它多富集于土壤及沼澤水中，呈黃色、褐色或灰黑色，并有特殊嗅味。細(xì)菌可分為病源菌和非病源菌。細(xì)菌可分為病源菌和非病源菌。病源菌一般來自污染，其中最常見病源菌一般來自污染，其中最常見的是傷寒、霍亂、痢疾等，它們不易分離鑒定，因此，常以檢查與的是傷寒、霍亂、痢疾等，它們不易分離鑒定，因此，常以檢查與這些病源菌這些病源菌共生的大腸桿菌共生的大腸桿菌，來間接鑒定病源菌的存在及其數(shù)量。，來間接鑒定病源菌的存在及其數(shù)量。非病原細(xì)菌，如脫硫細(xì)菌，硫磺細(xì)菌等，它們

18、生存于一定的地球化非病原細(xì)菌，如脫硫細(xì)菌，硫磺細(xì)菌等，它們生存于一定的地球化學(xué)環(huán)境中，通過生物化學(xué)作用，影響地下水化學(xué)成分的變化學(xué)環(huán)境中，通過生物化學(xué)作用，影響地下水化學(xué)成分的變化。 二、地下水的化學(xué)性質(zhì)二、地下水的化學(xué)性質(zhì)包括水的酸堿性、礦化度、硬度、侵蝕性等。1.地下水的酸堿性:取決于水中h+ 濃度。 ph值圖圖2-1 2-1 水中水中co2、hco3、co32與與ph值值的關(guān)系的關(guān)系地下水分類ph值強酸性水5弱酸性水57中性水=7弱堿性水ph=79強堿性水9從圖中可以看出從圖中可以看出 phph值不同，水中碳酸量也不同。值不同，水中碳酸量也不同。隨隨phph值增高，水中值增高，水中hco

19、hco3 3- - 含量增大，含量增大，coco2 2含量減小。含量減小。但當(dāng)?shù)?dāng)phph8 8 時，隨時，隨phph值增高水中值增高水中 hcohco3 3- - 含量減小，含量減小，而而coco2 2 含量卻增高。含量卻增高。2.地下水的總礦化度地下水中離子、分子和各種化合物的總量稱為總礦化度總礦化度。以g/l表示,它表示水中含鹽量的大小 。測量 :通常以在105110溫度下將水蒸干后所得的干涸殘余物含量來表示水的總礦化度。計算：也可以用離子、化合物總含量計算，但在計算時，hco3-只能采用半數(shù)，這是因為水蒸干后一部分hco3-分解，逸出之量相當(dāng)于hco3-之量的一半： 2 hco3- c

20、o32-+co2 + h2o地下水的礦化度與化學(xué)成分有密切關(guān)系，低礦化水常以hco3- 為主要成分，高礦化水常以 cl- 為主要成分。此外，礦化度常隨含水層埋藏深度的增加而增大。m分類m值低礦化水（淡水 1g/l弱礦化水（微咸水13 g/l 中等礦化水（半咸水 310 g/l 高礦化水（咸水1050 g/l 鹵水 50 g/l 3.地下水的硬度地下水的硬度是由水中所含ca2+、mg2+量所構(gòu)成。 總硬度：相當(dāng)于水中所含ca2+、mg2+總量。 暫時硬度：將水加熱至沸騰，水中的部分ca2+、mg2+將與hco3-作用生成caco3、mgco3沉淀，使水中ca2+、mg2+含量減少： ca2+2

21、hco3- caco3+co2+h2o mg2+2hco3- mgco3+co2+h2o減少的這部分ca2+、mg2+的含量，稱為暫時硬度。 永久硬度：水中與so42- 、cl-等離子相對應(yīng)的ca2+、mg2+的含量，這部分含量在水加熱至沸騰時也不發(fā)生沉淀。 關(guān)系:永久硬度總硬度暫時硬度 碳酸鹽硬度：水中與hco3-相對應(yīng)的ca2+、mg2+的含量。水的碳酸鹽硬度往往大于暫時硬度，因為即使在水沸騰時，水中hco3-不可能全部同ca2+、mg2+發(fā)生作用而形成沉淀。 德國度表示法， ca2+、mg2+毫克數(shù)表示法 ca2+、mg2+毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)表示法。 概念：一個德國度相當(dāng)于一個德國度相當(dāng)于1

22、0mg/l的的cao含量，或含量，或7.1mg/l的的ca2+含量，含量，或或4.3mg/l的的mg2+含量。含量。 關(guān)系： 1毫克當(dāng)量的硬度2.8德國度硬度分類毫克當(dāng)量/l極軟水 1.5軟水1.53.0微硬水3.06.0硬水6.09.0極硬水9.0地下水硬度的表示方法和分類 4.4.地下水的侵蝕性地下水的侵蝕性指水對碳酸鹽類物質(zhì)（如石灰?guī)r、混凝土）的侵蝕能力。分為碳酸性侵蝕（分解性侵蝕）、硫酸性侵蝕（結(jié)晶性侵蝕）及鎂化性侵蝕。1 1）碳酸性侵蝕碳酸性侵蝕 主要取決于水中侵蝕性主要取決于水中侵蝕性coco2 2的存在及其含量的多少。的存在及其含量的多少。水中含有游離水中含有游離coco2 2，

23、當(dāng)與碳酸鹽類物質(zhì)接觸時，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：，當(dāng)與碳酸鹽類物質(zhì)接觸時，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)： cacocaco3 3+ +h h2 2o o+ +coco2 2caca2+2+ +2hco2hco3 3- - 這是一個可逆反應(yīng)。當(dāng)水中有一定數(shù)量的hco3-存在時，就必須有一定數(shù)量的溶解于水的co2與之平衡。凡是溶解于水中的co2 ，稱為游離游離coco2 2 。如果游離 co2的含量能使上述反應(yīng)式既不向左也不向右進(jìn)行，即反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時，這時的co2 稱為平衡平衡coco2 2 ；如果水中的游離co2 含量超過平衡co2 時，上述反應(yīng)就要向右進(jìn)行，即當(dāng)遇到caco3物質(zhì)時，就要發(fā)生溶解，而使水中hco3-

24、增加，以趨達(dá)到新的反應(yīng)平衡。因此，水中超過平衡量的那一部分co2，其中要有一部分用于新增加的hco3-的平衡，而另一部分co2 則消耗于對碳酸鹽的溶解這被消耗的co2 稱為侵蝕性侵蝕性coco2。地下水中有一定量的侵蝕co2 存在，水便具有侵蝕性。 水中侵蝕性co2 含量一般用實測方法確定也可從圖2-2中查出近似值。 水中侵蝕性水中侵蝕性coco2 2與游離與游離coco2 2含量關(guān)系含量關(guān)系2）硫酸性侵蝕 當(dāng)so42-2-含量大的水滲入碳酸鹽類物質(zhì)中時，便產(chǎn)生硫酸性侵蝕。它是由于so42- 與碳酸鹽物質(zhì)中的一些組份發(fā)生化學(xué)作用形成結(jié)晶的硫酸鹽，在這種新的化合物形成過程中，體積膨脹，從而對碳酸

25、鹽類物質(zhì)產(chǎn)生破壞：4caoal 2o3 12h 2o+3caso4nh2o3caoal2o3 3caso 4 30h2o+ca(oh)2 (杰瓦鹽)石膏是形成“杰瓦鹽”的中間產(chǎn)物。在“杰瓦鹽”的形成過程中，其體積成倍增大，對碳酸鹽巖或混凝土起著破壞作用。3）鎂化性侵蝕 水中含有大量mg2+時，將產(chǎn)生鎂化性侵蝕。含有大量鎂鹽（如mgcl2）的水，對水泥的破壞表現(xiàn)為mgcl2與混凝土中結(jié)晶的ca(oh)2起交替反應(yīng)，結(jié)果形成mg(oh)2和易溶于水的cacl2而破壞混凝土。此外，當(dāng)水中含有大量的o2、h2s，且ph值較低時，對金屬鐵管有較強的腐蝕作用。 第三節(jié)第三節(jié) 地下水化學(xué)成分的形成和變化地下

26、水化學(xué)成分的形成和變化 地下水的化學(xué)成分是極為復(fù)雜的。不同成因的地下水，地下水的化學(xué)成分是極為復(fù)雜的。不同成因的地下水，其原始成分不同。同一成因的地下水，由于后期循環(huán)過程中其原始成分不同。同一成因的地下水，由于后期循環(huán)過程中地質(zhì)條件的不同，可使其成分發(fā)生各種不同的變化。地質(zhì)條件的不同，可使其成分發(fā)生各種不同的變化?？煞秩糠挚煞秩糠?一、一、不同成因地下水的原始化學(xué)成分不同成因地下水的原始化學(xué)成分二、地下水化學(xué)成分的形成與變化作用二、地下水化學(xué)成分的形成與變化作用三、影響地下水化學(xué)成分形成的因素三、影響地下水化學(xué)成分形成的因素 地下水的成因有滲入、凝結(jié)、埋藏等。地下水源于地下水源于：大氣降水

27、滲入或水汽凝結(jié)的：原始成分繼承滲入或凝結(jié)水源的基本特點，一般m都較低，且富含o2、n2、co2等氣體；地表水滲入的地下水與地表水成分特點相近似，它可以近似河、湖淡水而富含hco3-成為低礦化水，可以近似海水而富含cl-成為高礦化水；古沉積盆地中的埋藏水，其化學(xué)成分與海、湖水相近，由cl-、na+ 組成其主要離子，并含有br、b、i等微量元素。后來地質(zhì)變質(zhì)，比比現(xiàn)代海水m更高（達(dá)數(shù)百g/l,現(xiàn)代海水常35g/l），微量元素也較高，長期封閉的還原環(huán)境，so42-極少，而h2s含量增高。ca2+含量較多；巖漿分異及巖石變質(zhì)分解的水，研究不多，僅根據(jù)間歇泉觀察，知溫度高，礦化度低，富含si，b，f等微

28、量元素，及co2、h2、ch4、h2s、nh3等氣體。地下水化學(xué)成分的形成與變化作地下水化學(xué)成分的形成與變化作用用1.水與巖石的相互作用水與巖石的相互作用2.地下水在自然環(huán)境中的物理、化學(xué)作用地下水在自然環(huán)境中的物理、化學(xué)作用3.地下水中微生物與有機質(zhì)的生物化學(xué)作用地下水中微生物與有機質(zhì)的生物化學(xué)作用1）溶濾作用）溶濾作用 2）陽離子的交替吸陽離子的交替吸附作用附作用 1）溶濾作用 是巖石中的一部分物質(zhì)進(jìn)入水中的作用。最基本作用。它破壞礦物礦物結(jié)晶格架而使一部分元素進(jìn)入水中；對巖石巖石，它將可溶部分帶走 溶濾與溶解的區(qū)別區(qū)別：溶解是全部物質(zhì)進(jìn)入水中，溶濾是部分物質(zhì)進(jìn)入水中。廣義來說，溶濾作用包

29、括溶解作用。在風(fēng)化殼中最廣。地下水交替循環(huán)強烈，溶濾作用的地下水成分，與地下水的周圍介質(zhì)巖石的性質(zhì)關(guān)系密切。 如石灰?guī)r區(qū)地下水多為低礦化的hco3-ca型水；花崗巖往往是hco3-na型水；富含石膏的沉積巖中的地下水so42-及ca2+含量常常較高；火山地區(qū)的地下水中f、b、li等微量元素含量明顯增高；在有金屬硫化礦床的地帶，地下水中so42-含量較高，且常含有某些金屬元素，如cu、pb、zn、si、ni等。這些金屬元素在水中往往成為“水暈”，常可以據(jù)此找到這些原生礦床。根據(jù)各種鹽類在蒸餾水中的溶解度，可將化根據(jù)各種鹽類在蒸餾水中的溶解度，可將化合物劃分為以下幾類：合物劃分為以下幾類： （1）

30、極易溶解的（極易帶出的）化合物 屬于這類的有k和na的鹵化物、硫酸鹽、碳酸鹽、氟酸鹽、硅酸鹽和硼酸鹽等。 （2）溶解的（可帶出的）化合物 屬于此類的有ca、mg、ni、zn、fe、mn、cu的鹵化物和重碳酸鹽類。 （3）難溶解的（帶出微弱的）化合物 屬于此類的有sr的硫酸鹽，ba、 sr、zn、ag的碳酸鹽和sio2。 （4）最難溶的（活動性小的）化合物 屬于此類的有pb、cu、ba的碳酸鹽，zn、cu、mg的硅酸鹽及agcl等。 （5）不溶解的（穩(wěn)定的）化合物 屬于此類的有fe、mn、ti、co的氫氧 地下水所處的環(huán)境（溫度、壓力）各處是不同的。 元素從風(fēng)化殼巖石中被水帶出的能力，可用水遷移

31、系數(shù)（kx）來衡量。水遷移系數(shù)是指元素在水中的干涸殘渣的含量與這種元素在該區(qū)域巖石中含量之比。kx值越大，說明元素在風(fēng)化殼中被帶出的能力越強。從表2-1可清楚地看出，cl、s最易從風(fēng)化殼中被水帶出，ca、mg、na、f次之，si、ni、cu、co、mo、mn較弱，最弱是fe、al、ti、sc、zr等，它們以溶解的狀態(tài)遷移的能力很弱，甚至不遷移。元素遷移系列元素遷移系列水遷移系數(shù)值1000 100 10 1 0.1 1000 100 10 1 0.1 0.01 0.0010.01 0.001最易帶出的最易帶出的clcl，brbr，i i，s s易帶出的易帶出的ca，mg，na，f(sr，k，zn

32、) 活動的活動的cu，ni，co，mo(?)，v(?)，mn，si，p 惰性或完全不惰性或完全不活動的活動的fe，al，ti，sc，z，rhf，nb，ta，rn，re，ir，pb，sn上述元素在風(fēng)化殼中以水溶液的形式進(jìn)行遷移的性質(zhì)，還決定于地質(zhì)條上述元素在風(fēng)化殼中以水溶液的形式進(jìn)行遷移的性質(zhì)，還決定于地質(zhì)條件及氣候條件。如一些極難溶的金屬硫化物，在地質(zhì)歷史進(jìn)程中由于長件及氣候條件。如一些極難溶的金屬硫化物，在地質(zhì)歷史進(jìn)程中由于長期的物理化學(xué)作用的結(jié)果，使其發(fā)生氧化形成硫酸鹽類，而變得易于遷期的物理化學(xué)作用的結(jié)果，使其發(fā)生氧化形成硫酸鹽類，而變得易于遷移；又如在沼澤地區(qū)，移；又如在沼澤地區(qū)，fe

33、fe、mnmn就很容易從風(fēng)化殼中浸出，使水中就很容易從風(fēng)化殼中浸出，使水中fefe、mnmn含量增高，因此上述系列在不同條件下是可以改變的。含量增高，因此上述系列在不同條件下是可以改變的。2） 陽離子的交替吸附作用陽離子的交替吸附作用 土壤和巖石表面常帶負(fù)電荷，吸附陽離子，水中的離子與巖、土表面吸附的離子之間，常發(fā)生互相置換，從而改變地下水成分和性質(zhì)，這種作用稱為陽離子陽離子交替吸附作用交替吸附作用（又稱膠體吸附作用）。交替吸附作用的強弱，取決于巖、土對離子吸附能力的強弱以及水中離子成分、濃度和離子價的大小。巖、土吸附能力的強弱與其比表面積表面積大小相對應(yīng)。顆粒越細(xì)小，則比表面積越大，其吸附能

34、力越強；水中離子離子濃度濃度越大，越易被吸附；離子價越高離子價越高，越易被吸附。離子被吸附的能力強弱順序如下： fe3+a13+ba2+ca2+mg2+k+na+ ca2+的吸附能力大于na+，常見地下水中的ca2+交替吸附在巖石顆粒表面的na+： ca2+（水中）2na+（吸附的）2na+（水中）ca2+（吸附的）2.2.地下水在自然環(huán)境中的物理、化學(xué)作用地下水在自然環(huán)境中的物理、化學(xué)作用在溫度、壓力及地質(zhì)構(gòu)造等因素的影響下，發(fā)生蒸發(fā)濃縮、脫碳酸、混合作用1）蒸發(fā)濃縮作用 在干旱、半干旱地區(qū)潛水，如我國西北、華北、東北地區(qū)發(fā)育的鹽堿土，淺層地下水的水分，在太陽輻射熱能下升溫蒸發(fā)，水溶液逐漸濃

35、縮。鈣的碳酸鹽溶解度低，達(dá)到飽和沉淀析出，m逐漸增高。低m的hco3-ca型演化成中m的so4-ca型，最后為高m的clso4-na型水。蒸發(fā)濃縮引起地下水化學(xué)成分演變，在時間和空間上是連續(xù)的。礦化度逐漸增高，易溶鹽類逐漸在水中富集，某些鹽類從水中沉淀析出系列見圖2-3。同時，水中的一些重金屬元素如fe、zn、cu及一些微量元素如f、br、i、li等含量也明顯增高。圖圖2-3 2-3 蒸發(fā)時從水溶液中沉淀連續(xù)析出系列蒸發(fā)時從水溶液中沉淀連續(xù)析出系列蒸發(fā)濃縮作用深度不超過年常溫帶的深度。但地下水的活蒸發(fā)濃縮作用深度不超過年常溫帶的深度。但地下水的活動及化學(xué)元素的擴散作用，影響深部地下水。如常溫帶

36、以動及化學(xué)元素的擴散作用，影響深部地下水。如常溫帶以下，地溫增高，地下水受熱汽化，提高地下水的化學(xué)成分下，地溫增高，地下水受熱汽化，提高地下水的化學(xué)成分濃度，汽化的水沿裂隙上升，形成低礦化水濃度，汽化的水沿裂隙上升，形成低礦化水2 2）混合作用混合作用 兩種以上成分不同的地下水相遇后，其化學(xué)成兩種以上成分不同的地下水相遇后，其化學(xué)成分和礦化度都發(fā)生了變化，這種作用稱為混合作用。分和礦化度都發(fā)生了變化，這種作用稱為混合作用。如在海岸、河岸、深部鹵水、熱水及礦泉出露的地方以及各含水層之間發(fā)生互補時，在人為因素灌溉水的滲入、在海岸附近開采淡水引起海水侵入等。 各種水混合時：簡單的物理混合，或是化合的

37、化學(xué)反應(yīng)。各種水混合時：簡單的物理混合，或是化合的化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)參與混合的兩種水中鹽類的陰、陽離子的引力大致相等時，離當(dāng)參與混合的兩種水中鹽類的陰、陽離子的引力大致相等時，離子之間在碰撞過程中，就不會形成新的內(nèi)聚力比原有鹽類大的化子之間在碰撞過程中，就不會形成新的內(nèi)聚力比原有鹽類大的化合物，這時只有簡單的混合；合物，這時只有簡單的混合；當(dāng)參與混合的水中離子的引力不平衡，則可產(chǎn)生新的化合物。不當(dāng)參與混合的水中離子的引力不平衡，則可產(chǎn)生新的化合物。不同礦化度的水混合時，簡單混合與反應(yīng)混合常同時并存，還可能同礦化度的水混合時，簡單混合與反應(yīng)混合常同時并存，還可能伴有其它作用，如交替吸附作用等，使混合物

38、的成分變得復(fù)雜。伴有其它作用，如交替吸附作用等，使混合物的成分變得復(fù)雜。3.3.地下水中微生物與有機質(zhì)的生物化學(xué)作用地下水中微生物與有機質(zhì)的生物化學(xué)作用指有細(xì)菌參與的一些氧化還原作用。在強烈的還原條件下，脫硫細(xì)菌可使硫酸還原成h2s氣體，使水中so42- 減少，hco3- 增加，即發(fā)生脫硫酸作用：so42-2c2h2oh2s2hco3- 在缺氧并有有機質(zhì)存的封閉地質(zhì)構(gòu)造（如儲油構(gòu)造）中。在氧化環(huán)境中，喜氧的細(xì)菌（如硫磺細(xì)菌）能使h2s及s氧化成硫酸：2h2h2 2s so o22h2h2 2o o2s2s2s2s3o3o2 22h2h2 2o4ho4h+2so2so4 42-2-3 3） 脫碳

39、酸作用脫碳酸作用 碳酸鹽類，當(dāng)溫度升高或壓力減小時，水中co2從水中逸出，水中的hco3- 與ca2+、mg2+結(jié)合形成沉淀，這種使水中hco3- 含量（同時也是ca2+、mg2+含量）減少的作用稱為脫碳酸脫碳酸作用作用。如某些泉附近的鈣華沉積，石灰?guī)r溶洞中的石鐘乳、石筍等的形成均與這種作用有關(guān)。溶解度取決于水中所含co2的數(shù)量三、影響地下水化學(xué)成分形成的因素三、影響地下水化學(xué)成分形成的因素形成和改變地下水化學(xué)成分的作用能否進(jìn)行及強度取決于地形成和改變地下水化學(xué)成分的作用能否進(jìn)行及強度取決于地下水存在的環(huán)境條件。下水存在的環(huán)境條件。即地質(zhì)條件、自然地理條件及人類和微生物活動。即地質(zhì)條件、自然地

40、理條件及人類和微生物活動。1.地質(zhì)條件地質(zhì)條件 指指巖性及地質(zhì)構(gòu)造。巖性對溶濾作用的影響明顯，地下水，巖性及地質(zhì)構(gòu)造。巖性對溶濾作用的影響明顯，地下水，一定含有與圍巖巖性相似的成分。一定含有與圍巖巖性相似的成分。 在開放的隆起構(gòu)造區(qū)，形成氧化環(huán)境，溶濾作用；在開放的隆起構(gòu)造區(qū)，形成氧化環(huán)境，溶濾作用；在封閉的向斜構(gòu)造盆地中，地下水交替遲緩，鹽分易于聚在封閉的向斜構(gòu)造盆地中，地下水交替遲緩，鹽分易于聚集，礦化度增加，利于脫硫酸作用；集，礦化度增加，利于脫硫酸作用；在構(gòu)造變動劇烈的地帶，往往發(fā)育深大斷裂和構(gòu)造破碎帶，在構(gòu)造變動劇烈的地帶，往往發(fā)育深大斷裂和構(gòu)造破碎帶，它們不僅影響著水的交替，同時也

41、能將淺部地下水與深部它們不僅影響著水的交替，同時也能將淺部地下水與深部地下水溝通，促使混合作用的形成和發(fā)展。地下水溝通，促使混合作用的形成和發(fā)展。2.自然地理條件自然地理條件 1）氣候因素氣候因素 蒸發(fā)和降水對溶濾作用、蒸發(fā)濃蒸發(fā)和降水對溶濾作用、蒸發(fā)濃縮及生物化學(xué)作用均影響?？s及生物化學(xué)作用均影響。 2）水文因素水文因素 地表水與地下水補給關(guān)系地表水與地下水補給關(guān)系 3)地形因素地形因素 地形的起伏影響地下水的交替強度，地形的起伏影響地下水的交替強度，影響地下水的化學(xué)成分。在切割強烈的山區(qū)，地影響地下水的化學(xué)成分。在切割強烈的山區(qū)，地下水徑流條件好、大，利于溶濾作用，溶濾出來下水徑流條件好、

42、大，利于溶濾作用，溶濾出來的化學(xué)成分又能很快被水帶走，低的化學(xué)成分又能很快被水帶走，低m的的hco3型型水。在地勢平坦或較低洼的地帶，鹽分堆積，水。在地勢平坦或較低洼的地帶，鹽分堆積，m較高。較高。4)生物作用生物作用 動物排泄物中的動物排泄物中的cl-、植物分泌有機、植物分泌有機酸等酸等3.人類的活動人類的活動 人類利用和改造自然的過程中，影響很大人類利用和改造自然的過程中，影響很大 灌溉不當(dāng)時，過多的地下水滲入地下，抬高了地下水位，使蒸發(fā)作用加強，促使地下水發(fā)生濃縮作用； 由于工業(yè)三廢（廢水、廢氣、廢渣） 農(nóng)業(yè)大量施用化肥，使其中的有害元素和成分（如酚、氰、砷、汞、鋅、鉛、鉻、錳、銅、亞硝

43、酸等）進(jìn)入土壤和水體，會使地下水化學(xué)成分發(fā)生改變； 生活廢水及人類的排泄物滲入地下進(jìn)入地下水中，也造成地下水化學(xué)成分的變化。 在實際工作中，對于地下水化學(xué)成分形成、變化的認(rèn)識，在實際工作中，對于地下水化學(xué)成分形成、變化的認(rèn)識，應(yīng)分析水化學(xué)成分的特點與地下水的補給、徑流、排泄之間的應(yīng)分析水化學(xué)成分的特點與地下水的補給、徑流、排泄之間的聯(lián)系。同時地下水化學(xué)成分是自然歷史過程中的產(chǎn)物，因此必聯(lián)系。同時地下水化學(xué)成分是自然歷史過程中的產(chǎn)物，因此必須研究自然地質(zhì)歷史環(huán)境（地質(zhì)、地貌的發(fā)展歷史），綜合分須研究自然地質(zhì)歷史環(huán)境（地質(zhì)、地貌的發(fā)展歷史），綜合分析才能正確認(rèn)識地下水化學(xué)成分形成的主導(dǎo)作用，并預(yù)測

44、地下析才能正確認(rèn)識地下水化學(xué)成分形成的主導(dǎo)作用，并預(yù)測地下水化學(xué)成分的變化趨勢。水化學(xué)成分的變化趨勢。第四節(jié)第四節(jié) 地下水化學(xué)成分的研究方法地下水化學(xué)成分的研究方法一一、水質(zhì)分析、水質(zhì)分析 取水樣1.簡分析簡分析2.全分析全分析3.專門分析專門分析二二、水質(zhì)分析成果的表示方法、水質(zhì)分析成果的表示方法1.離子毫克數(shù)表示法離子毫克數(shù)表示法2.離子毫克當(dāng)量表示法離子毫克當(dāng)量表示法3.離子毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)表示法離子毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)表示法4.庫爾洛夫式表示法庫爾洛夫式表示法5.圖示法圖示法三、三、化學(xué)元素之間的比例系數(shù)在地下水化學(xué)成分研究化學(xué)元素之間的比例系數(shù)在地下水化學(xué)成分研究中的意義中的意義四、四、思考

45、題思考題1.簡分析 了解區(qū)域地下水化學(xué)成分的一般特征及其變化規(guī)律。了解區(qū)域地下水化學(xué)成分的一般特征及其變化規(guī)律。 特點是分析項目少，精度要求低，設(shè)備簡單，分析是分析項目少，精度要求低，設(shè)備簡單，分析速度快，可在野外就地進(jìn)行。速度快，可在野外就地進(jìn)行。簡易水質(zhì)分析箱。簡易水質(zhì)分析箱。 簡分析項目：除物理性質(zhì)以外，一般只測定地下水簡分析項目：除物理性質(zhì)以外，一般只測定地下水的主要成分如的主要成分如ca2+、mg2+、hco3-、so42-及及ph值、值、總礦化度、總硬度等?？偟V化度、總硬度等。 通過計算求得水中通過計算求得水中k+na含量，并定性分析水中含量，并定性分析水中no3-、no2-、nh

46、4+、fe3+、fe2+、h2s及及co 2等。等。 為了檢查和校核簡分析結(jié)果，可取一定數(shù)量的水樣為了檢查和校核簡分析結(jié)果，可取一定數(shù)量的水樣作全分析。作全分析。2.全分析全分析 全分析是在室內(nèi)實驗室進(jìn)行的分析。全分析是在室內(nèi)實驗室進(jìn)行的分析。 不是對所有成分都分析，項目較全、精度高。不是對所有成分都分析，項目較全、精度高。 除簡分析項目外還除簡分析項目外還包括包括：k+、na+、ca2+、mg2+、nh4+、fe2+、fe3+、hco3-、so42-、cl-、co32-、no2-、no3-、ph值、值、h2s、co2、總硬度、耗氧量、總硬度、耗氧量、干涸殘余物、灼熱殘渣、懸浮物、可溶性硅酸干

47、涸殘余物、灼熱殘渣、懸浮物、可溶性硅酸h3sio4等。等。3.專門分析 專門分析是根據(jù)研究工作任務(wù)的目的要求而進(jìn)行專門分析是根據(jù)研究工作任務(wù)的目的要求而進(jìn)行的特定項目的分析。的特定項目的分析。如為尋找飲用水時，須進(jìn)行細(xì)菌分析及有毒成分如如為尋找飲用水時，須進(jìn)行細(xì)菌分析及有毒成分如as、pb、f、hg等項目的分析；等項目的分析；在工程建設(shè)中，須對地下水進(jìn)行侵蝕性測定分析；在工程建設(shè)中，須對地下水進(jìn)行侵蝕性測定分析；尋找多金屬礦床時，要求進(jìn)行尋找多金屬礦床時，要求進(jìn)行ph值、值、so42-、cl-及重金及重金屬或稀有微量元素分析等。屬或稀有微量元素分析等。二、水質(zhì)分析成果的表示方法二、水質(zhì)分析成果

48、的表示方法 有有離子毫克數(shù)表示法、離子毫克當(dāng)量表示法、離子毫離子毫克數(shù)表示法、離子毫克當(dāng)量表示法、離子毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)表示法、庫爾洛夫式表示法及圖示法等?？水?dāng)量百分?jǐn)?shù)表示法、庫爾洛夫式表示法及圖示法等。1.離子毫克數(shù)表示法離子毫克數(shù)表示法離子在水中的絕對含量（離子在水中的絕對含量（mg/l）2.離子毫克當(dāng)量表示法離子毫克當(dāng)量表示法離子在水中的毫克當(dāng)量數(shù)來表示離子在水中的毫克當(dāng)量數(shù)來表示可以反映各種離子間的數(shù)量關(guān)系和化學(xué)性質(zhì)。計算：可以反映各種離子間的數(shù)量關(guān)系和化學(xué)性質(zhì)。計算：該離子的當(dāng)量毫克數(shù)離子1 中某離某離子的毫克當(dāng)1的升水中該量升水3.離子毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)表示法總數(shù)陰（陽）離子毫克當(dāng)量當(dāng)量數(shù)

49、該陰（陽）離子的毫克）量百分?jǐn)?shù)（某陰（陽）離子毫克當(dāng)%將將1l水中陰、陽離子的總數(shù)各以水中陰、陽離子的總數(shù)各以100來計數(shù)。來計數(shù)。便于將不同地下水成分進(jìn)行比較。便于將不同地下水成分進(jìn)行比較。因陰、陽離子是按等當(dāng)量化合的，因陰、陽離子是按等當(dāng)量化合的，陰離子的毫克當(dāng)量總數(shù)陰離子的毫克當(dāng)量總數(shù)（r）應(yīng)與陽離子毫克當(dāng)量的總數(shù)（）應(yīng)與陽離子毫克當(dāng)量的總數(shù)（r）相等。實際分）相等。實際分析中析中相對誤差（相對誤差（e）一般一般e2e25 5即可，即可，超標(biāo)需重新分析。超標(biāo)需重新分析。%100rrrre4.庫爾洛夫式表示法 按照水中各種主要離子成分的相對含量大小，以一按照水中各種主要離子成分的相對含量大

50、小，以一種分子式的形式表示水的化學(xué)成分，該分子式稱庫種分子式的形式表示水的化學(xué)成分，該分子式稱庫爾洛夫式：爾洛夫式：）涌水量（水溫（量百分?jǐn)?shù)）各陽離子含量（毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)）各陰離子含量（毫克當(dāng)）總礦化度（）氣體含量（微量元素含量（slclglglg/陰、陽離子均依含量遞減次序排列，含量小于陰、陽離子均依含量遞減次序排列，含量小于10的離子在式中不表示出來；各種成分含量一律標(biāo)在的離子在式中不表示出來；各種成分含量一律標(biāo)在該成分符號的右下角；各元素的原子數(shù)均移至上角。該成分符號的右下角；各元素的原子數(shù)均移至上角。當(dāng)涌水量已知時可將涌水量當(dāng)涌水量已知時可將涌水量q（l/s）置于溫度之后。）置于溫度之

51、后。例如例如某溫泉的分析結(jié)果，按庫爾洛夫式表示：某溫泉的分析結(jié)果，按庫爾洛夫式表示： 橫線上、下分別為陰、陽離子毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)，它們按橫線上、下分別為陰、陽離子毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)，它們按遞減順序排列；遞減順序排列； 橫線前橫線前m表示礦化度、氣體成分和特殊成分（微量元表示礦化度、氣體成分和特殊成分（微量元素）；素）； 橫線后為水溫橫線后為水溫t（）、涌水量）、涌水量q（l/s）。）。 庫爾洛夫式表示地下水化學(xué)成分簡單明了，能反映地下庫爾洛夫式表示地下水化學(xué)成分簡單明了，能反映地下水的基本特征。確定地下水的類型時，只考慮毫克當(dāng)量水的基本特征。確定地下水的類型時，只考慮毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)百分?jǐn)?shù)25的陰、陽離子的成分，如上式表示該溫泉的陰、陽離子的成分，如上式表示該溫泉地下水類型屬于地下水類型屬于hco3-naa型水。型水。5 .14927604213655 .22019.03032.02005.0)(qtcanaksohcomcosiohf5.圖示法圖示法用圖式或顏色表示各離子相對含量用圖式或顏色表示各離子相對含量1）小柱狀圖示法）小柱狀圖示法 將主要陰、陽將