第七章地下水的化學(xué)組分及其演變

1、第七章第七章地下水的化學(xué)組分及其演變地下水的化學(xué)組分及其演變71 概 述72 地下水化學(xué)特征73 地下水中的微生物 74 地下水的溫度75 地下水化學(xué)成分形成作用71 概 述地下水不是化學(xué)純的H2O，而是一種復(fù)雜的溶液。賦存于巖石圈中的地下水，不斷與巖土發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在與大氣圈、水圈和生物圈進(jìn)行水量交換的同時，交換化學(xué)成分。人類活動對地下水化學(xué)成分的影響，雖然只是悠長地質(zhì)歷史的一瞬間，然而，已經(jīng)深刻改變了地下水的化學(xué)面貌。地下水水質(zhì)的演變具有時間上的繼承性，自然地理與地質(zhì)發(fā)展歷史給予地下水的化學(xué)面貌以深刻影響；因此，不能從純化學(xué)角度，孤立、靜止的研究地下水的化學(xué)成分及其形成，而必須從水與環(huán)境長

2、期相互作用的角度出發(fā)，去揭示地下水化學(xué)演變的內(nèi)在依據(jù)與規(guī)律。72 地下水化學(xué)特征地下水中含有各種氣體、離子、膠體、有機(jī)質(zhì)以及微生物。1地下水主要?dú)怏w成分O2 、N2 、CO2 、CH4 、H2S等。尤其以前三種為主。1）O2 、N2地下水中的O2 、N2主要來源于大氣。溶解氧含量多，說明地下水處于氧化環(huán)境。在相對封閉的環(huán)境中，O2將耗盡而只留下N2。因此， N2的單獨(dú)存在，通?？烧f明地下水起源于大氣并處于還原環(huán)境。2）H2S 、CH4地下水中出現(xiàn)H2S、CH4 ，這是微生物參與的生物化學(xué)作用的結(jié)果3）CO2地下水中的CO2主要來源于土壤?；剂希骸⑹?、天然氣）的大量應(yīng)用，使大氣中人為產(chǎn)生

3、的CO2明顯增加。地下水中含CO2愈多，溶解某些礦物組分的能力愈強(qiáng)。72 地下水化學(xué)特征2地下水主要離子成分溶解性總固體：溶解性總固體是指溶解在水中的無機(jī)鹽和有機(jī)物的總稱(不包括懸浮和溶解 氣體等非固體組分)，用縮略詞TDS表示。單位：mg/L或g/L總礦化度(礦化度)是指溶于水中的離子、分子與化合物的總和。單位：g/L或mg/L ?，F(xiàn)已經(jīng)采用溶解性總固體代替總礦化度。按溶解性總固體含量(g/L)，將地下水分類如下：淡水50。72 地下水化學(xué)特征地下水中分布最廣、含量較多的離子共七種：Cl、SO42、HCO3、Na、K、Ca2、Mg2。低TDS水：HCO3、Ca2+、Mg2+為主；中TDS水：

4、SO42、Na+、Ca2+為主；高TDS水：Cl、Na+為主。地下水的TDS與離子成分之所以具有這種對應(yīng)關(guān)系，主要原因是水中鹽類的溶解度不同。72 地下水化學(xué)特征）Cl在地下水中廣泛分布，但在低TDS水中，一般含量僅數(shù)毫克/升到數(shù)十毫克/升，高TDS水中可達(dá)數(shù)克/升乃至100克/升以上。來源： 沉積巖中巖鹽或其他氯化物的溶解； 巖漿巖中含氯礦物的風(fēng)化溶解； 海水補(bǔ)給地下水，或者海風(fēng)將細(xì)滴的海水帶到陸地； 火山噴發(fā)物的溶濾； 人為污染：生活污水及糞便中含有大量Cl，因此，居民點(diǎn)附近的地下水TDS不高，但是Cl含量相對較高。特點(diǎn)： Cl不為植物及細(xì)菌所攝取，不被土粒表面吸附，因此， Cl是地下水中

5、最穩(wěn)定的離子； Cl含量隨著TDS增大而不斷增加，因此，Cl的含量?？捎脕碚f明地下水化學(xué)演變的歷程。 72 地下水化學(xué)特征2）SO42中等礦化的水中，SO42常成為含量最多的陰離子。來源： 含石膏（CaSO42H2O）或其它硫酸鹽的沉積巖的溶解； 硫化物的氧化： 2FeS2 （黃鐵礦） +7O2+2H2O2FeSO4+4H+2SO42特點(diǎn)： 煤系地層常含有很多黃鐵礦，因此流經(jīng)這類地層的地下水化學(xué)成分往往以SO42為主； 金屬硫化物礦床附近的地下水中也常含有大量的SO42。72 地下水化學(xué)特征3）HCO3幾乎總是低TDS水的主要陰離子成分。來源： 含碳酸鹽的沉積鹽與變質(zhì)巖（如大理鹽）：CaCO3

6、+H2O+CO22HCO3+Ca2+MgCO3+H2O+CO22HCO3+Mg2+ 巖漿巖與變質(zhì)巖地區(qū)，HCO3主要來自鋁硅酸鹽礦物的風(fēng)化溶解。4）Na+在高TDS水中是主要的陽離子。來源： 沉積巖中巖鹽及其它鈉鹽的溶解； 海水； 在巖漿巖和變質(zhì)巖地區(qū)，則來自含鈉礦物的風(fēng)化溶解； 酸性巖漿巖中有大量含鈉礦物，如鈉長石，在CO2和H2O的參與下，將形成低TDS以Na+及HCO3為主的地下水。 72 地下水化學(xué)特征5）K+高TDS水中較多。來源： 含鉀鹽類沉積巖的溶解； 巖漿巖、變質(zhì)巖中含鉀礦物的風(fēng)化溶解。雖然在地殼中K的含量與Na相近。但是，在地下水中K+的含量比Na+少得多。原因是： K+大量

7、地參與形成不溶于水的次生礦物（水云母、蒙脫石、絹云母）； 易為植物所攝取。6）Ca2+是低TDS水中的主要陽離子。來源： 碳酸鹽類沉積物及含石膏沉積物的溶解； 巖漿巖、變質(zhì)巖中含鈣礦物的風(fēng)化溶解。72 地下水化學(xué)特征）Mg2+來源： 含鎂的碳酸鹽類沉積巖（白云巖、泥灰?guī)r）； 巖漿巖、變質(zhì)巖中含鎂礦物的風(fēng)化溶解。Mg2+在低TDS水中通常含量較Ca2+少。部分原因是由于地殼組成中Mg2+比Ca2+少；堿性巖漿巖中的地下水，含Mg2+較高。72 地下水化學(xué)特征3地下水中的同位素組成地下水中存在多種同位素，最有意義的是氫(1H、2H、3H)，氧(16O、17O、18O)，碳(12C、13C、14C)

8、.。氘(2H或D)及氧-18(18O)是常見氫氧穩(wěn)定同位素，由于質(zhì)量不同，在轉(zhuǎn)化時發(fā)生分餾。例如，蒸發(fā)時重同位素(2H、18O)不易逸出，在液態(tài)水中相對富集；凝結(jié)時，液態(tài)水中也富集重同位素。因此，降水中氫氧重同位素豐度的分布存在多種效應(yīng)。氚(3H)及碳-14(14C)是常見的放射性同位素，可以測定地下水平均貯留時間(年齡)，測年范圍分別為50-60萬年及5萬-6萬年。72 地下水化學(xué)特征4地下水中的其他成分除了以上主要離子成分外，地下水還有一些其他成分：1）次要離子：H+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、NH4+、OH、NO2、NO3、CO32、SiO32、PO43等；2）微量組分：Br、I、F

9、、Ba、Li、Sr、Se、Co、Mo、Cu、Pb、Zn、B、As等；3）膠體：Fe(OH)3、Al(OH)3、H2SiO3等；4）有機(jī)化合物。73 地下水中的微生物地下水中普遍分布微生物，不僅出現(xiàn)于地表以下到數(shù)千米深處，并且出現(xiàn)于洋脊底部富含礦質(zhì)的高溫流體噴口“黑煙囪”。作用：參與地下水化學(xué)形成作用，改變地下水組分；生物修復(fù)地下水污染；改變含水介質(zhì)特性；參與成巖作用；參與成礦作用。74 地下水的溫度地殼表層有兩個熱能來源：一個是太陽的輻射，另一個是來自地球內(nèi)部的熱流。地殼表層可分為3個帶：1）變溫帶：受太陽輻射影響，地溫晝夜變化與季節(jié)變化；2）常溫帶：地溫一般比當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁馗叱?；3）增溫帶

10、：地溫受地球內(nèi)熱影響，通常隨深度加而有規(guī)律地升高。75 地下水化學(xué)成分形成作用地下水主要來源于大氣降水，其次是地表水。大氣降水的TDS一般為0.020.05g/L。1溶濾作用水與巖土相互作用，使巖土中一部分物質(zhì)轉(zhuǎn)入地下水中，便是溶濾作用。溶濾作用的結(jié)果，巖土失去一部分可溶物質(zhì)，地下水則補(bǔ)充了新的組分。影響因素：取決于組成巖土的礦物的溶解度；巖土的空隙特征；水的溶解能力；水中溶解氣體CO2、O2等的含量；水的流動狀況。75 地下水化學(xué)成分形成作用濃縮作用干旱半干旱地區(qū)的平原與盆地的低洼處，地下水位埋藏不深，蒸發(fā)成為地下水的主要排泄去路。濃縮作用必須同時具備下述條件：干旱或半干旱的氣候；有利于毛細(xì)

11、作用的顆粒細(xì)小的松散巖土；低平地勢下地下水位埋藏較淺的排泄區(qū)。75 地下水化學(xué)成分形成作用脫碳酸作用水中CO2的溶解度隨溫度升高及(或)壓力降低而減小。一部分CO2便成為游離CO2從水中逸出，這便是脫碳酸作用。Ca2+2HCO3CO2+H2O+CaCO3Mg2+2HCO3CO2+H2O+MgCO3結(jié)果： 地下水中HCO3及Ca2、Mg2減少； TDS降低。深部地下水上升成泉，泉口往往形成鈣華，便是脫碳酸作用的結(jié)果。75 地下水化學(xué)成分形成作用脫硫酸作用在還原環(huán)境中，當(dāng)有有機(jī)質(zhì)存在時，脫硫酸細(xì)菌促使SO42還原為H2S：SO42+2C+2H2OH2S+2HCO3結(jié)果： 使地下水中SO42減少以至消失； HCO3增加，pH值變大。封閉的地質(zhì)構(gòu)造，如儲油構(gòu)造，是產(chǎn)生脫硫酸作用的有利環(huán)境。 75 地下水化學(xué)成分形成作用陽離子交替吸附作用巖土顆粒表面帶有負(fù)電荷，將吸附地下水中某些陽離子，而將其原來吸附的部分陽離子轉(zhuǎn)為地下水中的組分，這便是陽離子交替吸附作用。不同的陽離子，其吸附于巖土表面的能力不同，自大而小順序為：H Fe3 Al3+ Ca2 Mg2 K Na離子價愈高，離子半徑愈大，則吸附能力也愈大，H例外；地下水中某種離子的相對濃度增大，則該種離子的交替吸附能力也隨之增大；顆粒愈細(xì)，比表面積愈大，交替吸附作用愈強(qiáng)；因此，粘土及粘土巖類最容易發(fā)生交替吸附作用，而在致密的結(jié)晶巖中，不會