《水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)》第六章 地下水化學(xué)成分及其形成作用

1、Fundamentals of Hydrogeoloy 水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)第六章 地下水的化學(xué)成分 及其形成作用主講教師：張衛(wèi)民Company Logo 6.3 總礦化度與地下水化學(xué)成分分類6.2 地下水化學(xué)成分的形成作用本章內(nèi)容 6.1 地下水的化學(xué)成分Company Logo第六章 地下水的化學(xué)成分及其形成作用概述 地下水不是純的H2O，而是天然溶液，含有各種組分。 水是良好的溶劑，在空隙中運(yùn)移時(shí)，可溶解巖石中的成分。在自然界水循環(huán)過程中，地下水與大氣圈、水圈與生物圈同時(shí)發(fā)生著水量和化學(xué)成分的交換。 物理性質(zhì)：溫度、顏色、嗅、味、密度、導(dǎo)電性、放射性。 化學(xué)成分：氣體成分、離子成分、膠體物質(zhì)、

2、有機(jī)質(zhì)等。Company Logo第六章 地下水的化學(xué)成分及其形成作用概述 水是巖石中元素遷移、分散與富集的載體。研究許多地質(zhì)作用時(shí)都不能不涉及地下水的化學(xué)作用。 在利用地下水時(shí)，不同的用水目的，對(duì)水的質(zhì)量有一定要求（如：飲用水、鍋爐用水、灌溉用水、飲用礦泉水、地下水對(duì)混凝土的侵蝕性等） 研究地下水的化學(xué)成分與作用必須與地下水的流動(dòng)條件結(jié)合 。 Company Logo6.1 地下水的化學(xué)成分一、地下水中常見的氣體成分 氧（O2）、氮（N2）、二氧化碳（CO2） 硫化氫（H2S）、甲烷（CH4）， 常見氣體成分與地下水所處環(huán)境和地下水來源有關(guān)二、地下水中主要離子成分 地下水中含量多的有七種離子

3、陰離子： HCO-3 ， SO2-4 ， Cl- 陽(yáng)離子： Ca2+, Mg2+, K+, Na+Company Logo6.1.1 氣體成分地下水中常見的氣體成分 1、氧（oxygen, O2）、氮（nitrogen, N2）起源：隨大氣降水入滲進(jìn)入含水層中，如富含O2與N2 說明地下水是大氣起源的，氮還有生物起源與變質(zhì)起源。 說明是大氣成因的；若比值小于0.0118，則說明是生物或變質(zhì)成因的。環(huán)境：在封閉環(huán)境下，氧被耗盡只剩下N2，指示水是大氣起源且處于封閉還原環(huán)境。Company Logo6.1.1 氣體成分地下水中常見的氣體成分 2、硫化氫（H2S）、甲烷（methane, CH4）

4、這兩種氣體都是在較封閉環(huán)境中，在有機(jī)質(zhì)與微生物參與的生物化學(xué)過程中形成。還原環(huán)境下：SO2-4 H2S，成煤過程，煤田水 成油過程，油氣藏，油田水脫硫酸作用：Company Logo6.1.1 氣體成分3、二氧化碳（CO2） 大氣降水中的CO2含量較低，地下水中CO2主要源于土壤層（入滲過程溶于水中）：有機(jī)質(zhì)殘骸發(fā)酵產(chǎn)生、植物呼吸作用產(chǎn)生碳酸鹽巖地層：在深部高溫下，可變質(zhì)生成CO2 深部地幔和地殼：通過活動(dòng)的深大斷裂。人類活動(dòng)：在化石燃料（煤、石油、天然氣），導(dǎo)致大氣中的CO2增加，（增長(zhǎng)20%）引起溫室效應(yīng)。 地下水中CO2增加，水對(duì)碳酸鹽巖的溶解、結(jié)晶巖風(fēng)化溶解能力愈強(qiáng)！Company L

5、ogo地下水中氣體成分的研究意義： 氣體成分指示地下水所處的地球化學(xué)環(huán)境 氧化環(huán)境oxidation 還原環(huán)境deoxidation 氣體成分可以增加水對(duì)鹽類的溶解能力 促進(jìn)水巖的化學(xué)反應(yīng)，相互作用6.1.1 氣體成分研究意義Company Logo6.1.2 主要離子成分地下水中的主要離子成分水中離子成分主要取決于：元素的豐度（克拉克值)：某元素在地殼化學(xué)成分中的重量百分比；元素組成的化合物在水中的溶解度地殼中主要元素有哪些？地殼中豐度較高的元素：Si、Al、Fe （地下水中低）地殼中豐度較低的元素：Cl、S、C （地下水中高）地下水中主要離子有：Anion 陰離子：HCO-3、SO2-4、

6、Cl- Cation 陽(yáng)離子：Ca2+、Mg2+、K+、Na+ Company Logo6.1.2 主要離子成分這與主要離子構(gòu)成的鹽類溶解度有關(guān)（參見52頁(yè)表6-1）：碳酸鹽類 硫酸鹽類 氯化物常見離子在水中的相對(duì)含量與地下水中的總?cè)芙夤腆w（TDS）或礦化度有關(guān)：礦化度(g/L) : 低(Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+Na+ 2）水中陽(yáng)離子的濃度 水中某種陽(yáng)離子濃度越大，則其交替吸附能力就越強(qiáng)，甚至可以發(fā)生吸附能力小的交替巖土顆粒表面吸附能力大的陽(yáng)離子。Company Logo6.2 地下水化學(xué)成分的形成作用陽(yáng)離子吸附交替作用影響因素 2）水中陽(yáng)離子的濃度 例如：在海水入侵大陸時(shí)可以發(fā)生

7、如下反應(yīng)： 3）巖土本身吸附能力的大小 主要取決于其比表面積（1克重的巖土顆粒表面積），比表面積越大，則巖土本身吸附能力就越大，交替吸附能力越強(qiáng)；反之，交替吸附能力越弱。Company Logo6.2 地下水化學(xué)成分的形成作用混合作用定義：指成分或礦化度不同的兩種地下水相遇，引起水質(zhì)發(fā)生變化的過程。結(jié)果：可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成化學(xué)類型完全不同的地下水，如淺部的HCO3-Ca型水與深部的SO4-Na型水，由于導(dǎo)水?dāng)鄬拥臏贤ǘ嘤鰰r(shí)，將形成一種新的HCO3Na型水 ： 兩種水的混合也可能不產(chǎn)生明顯的化學(xué)反應(yīng)，如當(dāng)高礦化的Cl-Na型海水與低礦化的HCO3-Ca-Mg型地下水混合，基本上不產(chǎn)生化學(xué)反

8、應(yīng)。混合水的礦化度與化學(xué)類型取決于參與混合的兩種水的成分及其混合比例。 Company Logo6.2 地下水化學(xué)成分的形成作用人為活動(dòng)的作用（影響） 人類活動(dòng)對(duì)地下水化學(xué)成分的影響： 1）人類生活與生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生的廢棄物污染地下水； 2）人為作用大規(guī)模地改變了地下水形成條件，從而使地下水化學(xué)成分發(fā)生變化。 Company Logo6.3 總礦化度與地下水化學(xué)成分分類一、地下水化學(xué)成分的分析內(nèi)容是水質(zhì)評(píng)價(jià)基礎(chǔ)分為簡(jiǎn)分析和全分析，某些專門性工作進(jìn)行專項(xiàng)分析。 簡(jiǎn)分析：除物理性質(zhì)（色、味、嗅、透明度、懸浮物等）外，主要定量分析： HCO-3、SO2-4、Cl-、Ca2+、 Mg2+、 總硬度、pH、

9、 K+Na+ 及 礦化度。 定性分析： NO-3，NO-2 ，NH4，F(xiàn)e2+ Fe3+，H2S，耗氧量等Company Logo6.3 總礦化度與地下水化學(xué)成分分類一、地下水化學(xué)成分的分析內(nèi)容 全分析：項(xiàng)目較多，要求精度高，通常在簡(jiǎn)分析得基礎(chǔ)上選擇代表性水樣進(jìn)行全分析一般定量分析：HCO-3,SO2-4,Cl-，Ca2+, Mg2+, K+, Na+， NO-3，NO-2 ，NH4，F(xiàn)e2+ Fe3+，H2S，CO2, 耗氧量，總硬度，pH, 及干涸殘余物（礦化度）；某些微量元素、有毒組分；研究水的侵蝕性時(shí)需分析水的侵蝕性CO2。全國(guó)地下水污染防治規(guī)劃調(diào)查指標(biāo)Company Logo全國(guó)地下

10、水污染防治規(guī)劃調(diào)查指標(biāo)（1） 感官指標(biāo)：肉眼可見物、顏色、嗅、味、透明度、渾濁度、色度、水溫等。 常規(guī)組分：pH值、游離二氧化碳、Cl-、SO4-、HCO3-、CO32-、K+、Ca2+、Na+、Mg2+、NH4+、Fe2+、Fe3+、NO2-、NO3-、F-、Br-、I-、PO43-、COD、可溶性二氧化硅、總硬度、礦化度等。 重金屬組分：Hg、Cu、Pb、As、Cd、Mn、Zn、Ni、Co、Cr6+、總Cr、V、W、Sr、Ba、U、Ra、Se、Al3+等。Company Logo全國(guó)地下水污染防治規(guī)劃調(diào)查指標(biāo)（2） 有機(jī)污染組分：三氯甲烷、四氯化碳、三溴甲烷、二氯甲烷、1，2-二氯乙烷、環(huán)

11、氧氯丙烷、氯乙烯、1，1-二氯乙烯、1，2-二氯乙烯、三氯乙烯、四氯乙烯、氯丁二烯、六氯丁二烯、苯乙烯、甲醛、乙醛、丙烯醛、三氯乙醛、苯、乙苯、二甲苯、異丙苯、氯苯、1，2-二氯苯、1，4-二氯苯、三氯苯、四氯苯、六氯苯、硝基苯、二硝基苯、2，4-二硝基甲苯、2，4，6-三硝基甲苯、硝基氯苯、2，4-二硝基氯苯、2，4-二氯苯酚、2，4，6-三氯苯酚、五氯酚、苯胺、聯(lián)苯胺。DDT、六六六（總量）、林丹（-六六六）、2，4-滴、七氯、呋喃丹、敵敵畏（含敵百蟲）。 生物學(xué)指標(biāo)：總大腸菌群、菌落總數(shù)。Company Logo6.3.2 礦化度或總固體溶解物 (TDS） 定義：地下水中各種離子、分子與

12、化合物的總量。 測(cè)定方法：直接測(cè)定 ：105110溫度下，水樣烘干后的干涸殘余物質(zhì)，單位為g/L, mg/L (ppm)計(jì)算法：用全分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，陰陽(yáng)離子總和減 1/2 HCO-3含量求算 據(jù)礦化度的水樣分類：50g/L 淡水 微咸水 咸水 鹽水 鹵水礦化度或總?cè)芙夤腆w (TDS）（total dissolved solids， total dissolved salt)Company Logo6.3.3 水化學(xué)成分的表示方法庫(kù)爾洛夫式分式前：特殊成分、氣體成分、礦化度 M ，單位 (g/L)分式上下：陰、陽(yáng)離子（毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)10%）分式后：水溫（oC) 特點(diǎn)是直觀、表示簡(jiǎn)單也較全面，可以反

13、映水的成因類型（常用方法）庫(kù)爾洛夫式:p54Company Logo6.3.4 舒夫卡列分類前蘇聯(lián)學(xué)者C.A. 提出來的:方式：將地下水中主要七種離子合并為6種（K歸入到Na中），取含量（毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)）25%的離子，組合定名。陰、陽(yáng)離子25%的出現(xiàn)情況各有7種（7種組合）兩者（陰、陽(yáng)）共組合為 77 = 49 種水型（P61，表6-2）按礦化度分為4組： A：TDS 40g/L 每一種水可用一個(gè)簡(jiǎn)單的符號(hào)代替。如：B46 查表 中等礦化度 ClNaCa型 A1 查表 沉積巖地區(qū)淺層溶濾水特點(diǎn)：簡(jiǎn)明易查，被廣泛應(yīng)用練習(xí)舒夫卡列分類練習(xí)Company Logo6.3.4 舒夫卡列分類Compan

14、y Logo 6.3 總礦化度與地下水化學(xué)成分分類6.2 地下水化學(xué)成分的形成作用本章內(nèi)容 6.1 地下水的化學(xué)成分Company Logo6.3.5 Piper三線圖Piper三線圖解由兩個(gè)三角形和一個(gè)菱形組成(圖64). Company Logo自學(xué)內(nèi)容地下水溫度p54地下水化學(xué)成分的基本成因類型p58p60練習(xí) -第六章 結(jié)束-練習(xí)Company Logo水化學(xué)形成作用練習(xí)1某地區(qū)地表為厚約10m的第四紀(jì)沉積物，由砂土和亞粘土組成，下伏花崗巖巖體。 一溫泉源于花崗巖裂隙含水 層中，并通過第四系益溢出 地表，其水化學(xué)成分用庫(kù)爾 洛夫式表示為：已知 溫泉補(bǔ)給區(qū)的地下水化學(xué)成分的庫(kù)爾洛夫表示式為： 問：（1）由補(bǔ)給區(qū)到排泄區(qū)，地下水化學(xué)成分有哪些變化？ （2）可能發(fā)生哪些的水化學(xué)形成作用。Company Logo水化學(xué)資料整理練習(xí)2.作業(yè)：整理以下水質(zhì)分析資料 問：1）計(jì)算礦化度；2）寫出庫(kù)爾洛夫式；3）利用舒卡列夫分類進(jìn)行水質(zhì)歸類離子mg