地下水概論第6部分 地下水的化學(xué)成分及其形成作用

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水文地質(zhì)學(xué)第六部分地下水的化學(xué)成分

及其形成作用CompanyLogo

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CompanyLogo第六章地下水的化學(xué)成分及其形成作用

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，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?；瘜W(xué)性質(zhì)：氣體成分、離子成分、膠體物質(zhì)、有機(jī)質(zhì)等。水是巖石中元素遷移、分散與富集的載體。研究許多地質(zhì)作用時都不能不涉及地下水的化學(xué)作用。不同的用水目的在利用地下水時，對水的質(zhì)量有一定要求（如：飲用水、鍋爐用水、地下水對混凝土的侵蝕性等）研究地下水的化學(xué)成分與作用必須與地下水的流動條件結(jié)合CompanyLogo6.1

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陰離子：HCO-3

，SO2-4

，Cl-

陽離子：Ca2+,Mg2+,K+,Na+

CompanyLogo6.1.1

氣體成分地下水中常見的氣體成分

1、氧（oxygen,O2）、氮（nitrogen,N2）起源：大氣圈隨降水入滲進(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環(huán)境2、硫化氫（H2S）、甲烷（methane,CH4）

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CompanyLogo6.1.1

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，也可變質(zhì)生成CO2

人類活動：在化石燃料（煤、石油、天然氣），導(dǎo)致大氣中的CO2增加，（增長20%）

地下水中CO2增加，水對碳酸鹽巖的溶解、結(jié)晶巖風(fēng)化溶解能力愈強(qiáng)！CompanyLogo地下水中氣體成分的意義：

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CompanyLogo6.1.2

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：①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；②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、Cl-

Cation

陽離子：Ca2+、Mg2+、K+、Na+

CompanyLogo6.1.2

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頁表6-1）：碳酸鹽類<硫酸鹽類<氯化物常見離子在水中的相對含量與地下水中的總固體溶解物（TDS）——或礦化度有關(guān)：礦化度(g/L):低(<1)中(1-10)高(10-30)陰離子:HCO-3 SO2-4

Cl-

陽離子:Ca2+ Ca2+,Mg2+

Na+,K+

水中陰離子在地下水水流過程的（分布）變化鹽類溶解度鹽類溶解度NaClKClMgCl2CaCl2Na2S04350290558.1731.950MgSO4CaS04Na2C03MgC032701.9193.9O.1CompanyLogo+

++

+++

++++

Cl-

+

++

+++

++SO42-

+

++

+++

+

HCO3-

地下水水流過程的陰離子變化CompanyLogo6.1.2

主要離子成分低礦化度水中的常見離子：HCO-3，Ca2+，Mg2+，常來源與沉積鹽巖、巖漿巖、變質(zhì)巖的風(fēng)化溶解高礦化度水中的常見離子：Cl-,Na+,K+，沉積鹽巖（鈉鹽、鉀鹽）的溶解、變質(zhì)巖風(fēng)化溶解，海水影響中等礦化度的常見離子：

SO42-：沉積鹽類溶解、金屬硫化物的氧化、火山噴發(fā)

H2S

氣體氧化、人類活動—燃燒煤產(chǎn)生大量SO2，SO2氧化后形成之，大氣中SO2-4過高時，降“酸雨”

地下水中主要離子成分來源(自學(xué)P52-53）CompanyLogo6.2地下水化學(xué)成分形成作用溶濾作用—水巖相互作用時發(fā)生

濃縮作用—蒸發(fā)排泄時發(fā)生脫碳酸作用—在溫度與壓力發(fā)生變化時發(fā)生

脫硫酸作用—在還原環(huán)境下發(fā)生：SO42-→H2S↑

陰離子交替吸附作用—巖土表面吸附的陽離子與水中陽離子發(fā)生交換混合作用—

2種不同類型地下水混合時發(fā)生

人類活動的作用——影響越來越大CompanyLogo6.2.1溶濾作用1.定義：

水與巖土相互作用下，巖土中某些組分向地下水中轉(zhuǎn)移的過程。其結(jié)果是：巖土失去部分可溶物質(zhì)，地下水中獲得相應(yīng)的化學(xué)成分使水中TDS↑。CaCO3+H2O+CO2→2HCO-3+Ca2+

(固)(水)(氣)2.影響因素--（水巖作用）?

CompanyLogo6.2.1溶濾作用——影響因素

(1)巖土--化學(xué)組分（如：石灰?guī)rHCO3-Ca水、花崗巖HCO3-Na水)組分的可溶性（溶解度、溶解速度）巖土的空隙特征鹽分溶解度的差異導(dǎo)致易溶先進(jìn)入水中，難溶的后進(jìn)入水中

(2)水---水的溶解能力（TDS，O2、CO2氣體組分）水的流動性a.水中已溶組分的多少—水中鹽份含量增高，溶解能力降低b.水中某些氣體組分--O2—增加硫化物的…，CO2—增加碳酸鹽類...

通常剛滲入到地下的水，礦化度很低，隨著水在地下含水巖層的運(yùn)移，不斷有新的鹽份溶解到水中，水中TDS↑，水的溶解能力下降，最終水的溶解能力→0，溶濾作用將會停止？是否會？CompanyLogo地下水是如何保持它的溶解能力的？

(3)地下水的流動（交替）性：

地下水的徑流速度和交替強(qiáng)度（V與Q）停滯與流動很緩慢的地下水，溶解能力最終會降為零，溶濾作用停止。水如果流動速度快，水交替（更新）迅速，CO2，O2不斷被補(bǔ)充，低TDS水不斷更新—溶解能力已降低的水如果某地區(qū)地下水流動很快，水交替（循環(huán)）迅速，溶濾作用很強(qiáng)烈，長期作用下去，地下水水化學(xué)特征如何？該地區(qū)地下水中的水質(zhì)--礦化度是高（TDS）？還是低？水中以哪種陰、陽離子為主？應(yīng)注意的問題：（1）不應(yīng)將溶濾作用等同于純化學(xué)的溶解作用。溶濾作用乃是一種與一定的自然地理與地質(zhì)環(huán)境相聯(lián)系的歷史過程。（2）溶濾作用長期持續(xù)，巖層中保留下來的幾乎只是難溶的碳酸鹽及硅酸鹽，地下水的化學(xué)成分以碳酸鹽及硅酸鹽為主。（3）溶濾作用顯示出空間上的差異性。氣候愈是潮濕多雨，地質(zhì)構(gòu)造的開啟性愈好，巖層的導(dǎo)水能力愈強(qiáng)，地形切割愈強(qiáng)烈，地下徑流與水交替愈迅速，巖層經(jīng)受的溶濾便愈充分，保留的易溶鹽類便愈貧乏，地下水的礦化度愈低，難溶離子的相對含量也就愈高。CompanyLogo長期、強(qiáng)烈溶濾作用的結(jié)果，地下水以低礦化度的難溶離子為主，HCO3—Ca水或HCO3—CaMg這是由溶濾作用的階段性決定！在由多種鹽類組成的巖石中：早期，Cl鹽最易溶于水中→隨水帶走，巖土貧Cl鹽繼續(xù)作用，較易溶SO42-鹽類被溶入中→隨水帶走，貧SO42-鹽類持續(xù)（巖土中）只剩較難溶的碳酸鹽類。因此，分析溶濾作用及其地下水的成分特征：①要從地質(zhì)歷史發(fā)展的眼光（角度）來理解—它是地質(zhì)歷史長期作用的結(jié)果②地下水是不斷運(yùn)動的—溶解的組分會被帶去（巖土組分變化）

前期溶濾作用—溶濾什么組分，水中獲得相應(yīng)組分后期溶濾作用—長期強(qiáng)烈溶濾作用的結(jié)果是難溶成分的低礦化水

要用地質(zhì)歷史的觀點(diǎn)去考察，去分析與研究問題??！6.2.1溶濾作用——結(jié)果CompanyLogo6.2.2濃縮作用

定義：地下水在蒸發(fā)排泄條件下，水分不斷失去，鹽分相對濃集，而引起的一系列地下水化學(xué)成分的變化過程。

濃縮作用（過程）——理想的蒸發(fā)濃縮模式水份失去過程→鹽分相對濃集，化學(xué)成分的變化（實(shí)際上與上述理想模式是不同的）地下水在蒸發(fā)過程中，水分失去還有補(bǔ)充；鹽分積累也有補(bǔ)充。因此，實(shí)際的蒸發(fā)作用可以產(chǎn)生含鹽量很高的地下水(鹵水)或鹽漬化的土地

濃縮作用的結(jié)果：往往形成高礦化度、以易溶離子為主的地下水（Cl-—Na+為主）

影響因素—與蒸發(fā)排泄的影響因素相同(氣候-地下水位-土層巖性)理想模式圖CompanyLogo濃縮作用（過程）理想模式1.0L水350mg/L蒸發(fā)（1）0.5L700mg/L蒸發(fā)（2）0.25L1400mg/L蒸發(fā)（3）0.125L2800mg/L0.5L水1.0L水0.25L水CompanyLogo丘陵

傾斜平原區(qū)

低平原

濃縮作用水流遲緩礦化度高、Cl--Na

過渡區(qū)礦化度中、SO4--MgCa

地下水化學(xué)特征具有分帶性

溶濾作用水交替迅速礦化度低、HCO3--Ca

由于地下水化學(xué)成分形成作用受區(qū)域自然地理與地質(zhì)條件的影響，地下水的化學(xué)特征往往具有一定的分帶性（空間上的）。

CompanyLogo山西忻州盆地地下水水化學(xué)圖CompanyLogo6.2地下水化學(xué)成分的形成作用

三、脫碳酸作用（鐘乳石、石筍、泉華）Ca2+(Mg2+)+2HCO3-

→CO2↑+H2O+CaCO3↓結(jié)果：Ca2+↓Mg2+↓HCO3-↓礦化度↓pH↓（略有變化）

四、脫硫酸作用(還原環(huán)境中脫硫酸細(xì)菌使SO42-還原為H2S）

SO42-

+2C+2H2O→H2S↑+2HCO-3

結(jié)果：SO42-↓；HCO3-↑，pH↑；尋找油田的輔助標(biāo)志。CompanyLogo6.2地下水化學(xué)成分的形成作用

五、陽離子吸附交替作用巖土顆粒表面帶有負(fù)電荷，能夠吸附陽離子。一定條件下，顆粒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。某種陽離子↓，某另一種陽離子增高↑H+>Fe3+>Al3+>Cl->Mg2+>K+>Na+

CompanyLogo6.2地下水化學(xué)成分的形成作用

六、混合作用—結(jié)果不一定?。〕煞植煌膬煞N水匯合在一起，形成化學(xué)成分與原來兩者都不相同的地下水，這便是混合作用?；旌献饔玫慕Y(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。兩種水的混合也可能不產(chǎn)生明顯的化學(xué)反應(yīng)。例如當(dāng)高礦化的氯化鈉型海水混入低礦化的重碳酸鈣鎂型地下水中，基本上不產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。這種情況下，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。CompanyLogo6.2地下水化學(xué)成分的形成作用

七、人為活動的作用（影響）（1）工業(yè)生產(chǎn)的廢氣、廢水與廢渣以及農(nóng)業(yè)上大量使用化肥農(nóng)藥，使天然地下水富集了原來含量很低的有害元素，如酚、氰、汞、砷、鉻、亞硝酸等；（2）濱海地區(qū)過量開采地下水引起海水入侵；（3）不合理的打井采水使咸水運(yùn)移；（4）干旱半干旱地區(qū)不合理地引入地表水灌溉，引起大面積次生鹽漬化等；CompanyLogo6.3

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)評價基礎(chǔ)分為簡分析和全分析，某些專門性工作進(jìn)行專項(xiàng)分析。簡分析：除物理性質(zhì)（色、味、嗅、透明度、懸浮物等）主要定量分析：HCO-3、SO2-4、Cl-、Ca2+、總硬度、pH,Mg2+、K++Na+及礦化度有時含專項(xiàng)分析：NO-3，NO-2

，NH4，F(xiàn)e2+Fe3+，H2S，耗氧量等

CompanyLogo6.3

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；某些微量元素、有毒組分；研究水的侵蝕性時需分水的侵蝕性CO2。全國地下水污染防治規(guī)劃——調(diào)查指標(biāo)CompanyLogo全國地下水污染防治規(guī)劃——調(diào)查指標(biāo)（1）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。

②

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。

③

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。CompanyLogo全國地下水污染防治規(guī)劃——調(diào)查指標(biāo)（2）④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)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?！璂DT、六六六（總量）、林丹（γ-六六六）、2，4-滴、七氯、呋喃丹、敵敵畏（含敵百蟲）。⑤生物學(xué)指標(biāo)：總大腸菌群、菌落總數(shù)。CompanyLogo6.3.2礦化度或總固體溶解物(TDS）

地下水中各種離子、分子與化合物的總量稱為礦化度

求算方法：①105～110℃溫度下，水樣烘干后的干涸殘余物質(zhì)，單位：g/L,mg/L(ppm)②計算中，用全分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，陰陽離子總和減1/2HCO-3含量求算據(jù)礦化度的水樣分類：<1g/L,1～3g/L,3～10g/L,10～50g/L,>50g/L

淡水微咸水咸水鹽水鹵水礦化度或總固體溶解物

(TDS）

（totaldissolvedsolids，

totaldissolvedsalt)CompanyLogo6.3.3水化學(xué)成分的表示方法—庫爾洛夫式分式前：特殊成分、氣體成分、礦化度M，單位(g/L)分式上下：陰、陽離子（毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)≥10%

或稱視毫摩爾百分?jǐn)?shù)）分式后：水溫（oC)特點(diǎn)是直觀、表示簡單也較全面，可以反映水的成因類型（常用方法）

庫爾洛夫式:現(xiàn)有某一水樣水化學(xué)資料，試求以下問題：（1）該水樣的礦化度；（2）求該水樣的分析誤差（3）分析其水化學(xué)類型用庫爾洛夫式表示（4）該水樣的總硬度水化學(xué)成分含量(mg/L)原子量：Na：23.0、K：39.1、Ca：40.1、Mg：24.3、Fe：55.8、Cl：35.5、S：32.1、N：14.0、O：16.0；H：1；C：12.0。水化學(xué)成分含量(mg/L)水化學(xué)成分含量(mg/L)Na+58.5Cl-3.2K+SO42-18.7Ca2+95.2HCO3-616.3Mg2+42.4游離CO25.0Fe2+0.20H2SiO33.0Fe3+0.60pH7.4溫度/℃15解：（1）求礦化度=(58.5+95.2+42.4+3.2+18.7+616.3-616.3*0.5)*10-3=0.527g/L(2)分析誤差先計算毫克當(dāng)量和毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)水化學(xué)成分含量(mg/L)毫克當(dāng)量(meq/L)毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)水化學(xué)成分含量(mg/L)毫克當(dāng)量(meq/L)毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)Na+58.52.5423.54Cl-3.20.090.85K+SO42-18.70.393.68Ca2+95.24.7644.11HCO3-616.310.1095.49Mg2+42.43.4932.34∑10.7910.58誤差計算式：在簡分析的誤差范圍內(nèi)（3）庫爾洛夫式為：在簡分析的誤差范圍內(nèi)（3）庫爾洛夫式為：所以該水為灰?guī)r地區(qū)型水灰?guī)r地區(qū)型水（4）總硬度為CompanyLogo6.3.4舒夫卡列分類

前蘇聯(lián)學(xué)者C.A.Щукалев提出來的:

方式：將地下水中主要七種離子合并為6種，取含量（毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)，或視毫摩爾百分含量）≥25%的離子，組合定名。陰、陽離子≥25%的出現(xiàn)情況各有7種（7種組合）兩者（陰、陽）共組合為7×7=49種水型（P61，表6-2）

加上礦化度分——分為4組：

A：TDS<1.5g/L,B:TDS1.5～10g/LC:10～