水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ) 地下水的化學(xué)成分及其形成作用

水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)地下水的化學(xué)成分及其形成作用第1頁(yè)/共47頁(yè)水文地球化學(xué)：研究地下水中化學(xué)元素的遷移、集聚與分散規(guī)律研究意義：地下水起源和形成礦產(chǎn)資源的形成和勘察水質(zhì)評(píng)價(jià)醫(yī)療礦水研究原則：考慮地下水水質(zhì)演變所具時(shí)間上的繼承性，從水與環(huán)境長(zhǎng)期相互作用的角度出發(fā)，揭示地下水化學(xué)演變的內(nèi)在依據(jù)與規(guī)律

概述第2頁(yè)/共47頁(yè)地下水的化學(xué)特征氣體組分主要?dú)怏w組分：O2、N2、CO2、CH4、H2S等

一般含量為n-n×10mg/lL研究意義:說(shuō)明地下水所處的水文地球化學(xué)環(huán)境：氧化環(huán)境、還原環(huán)境有些氣體增加水溶解鹽類(lèi)的能力，促進(jìn)水巖反應(yīng)第3頁(yè)/共47頁(yè)氧（O2）、氮（N2）來(lái)源：O2：大氣：大氣降水、地表水入滲補(bǔ)給N2：大氣：大氣降水、地表水入滲補(bǔ)給；生物、變質(zhì)起源指示意義：O2與N2共存：來(lái)源于大氣并處于氧化環(huán)境O2高：氧化環(huán)境N2單獨(dú)存在：可能起源于大氣，且為還原環(huán)境惰性氣體（Ar,Kr,Xe）與N2的比值：（Ar,Kr,Xe）/N2=0.0118，則N2為大氣起源（Ar,Kr,Xe）/N2

＜0.0118，則N2為生物或變質(zhì)起源第4頁(yè)/共47頁(yè)二氧化碳（CO2）來(lái)源：大氣：大氣降水、地表水入滲補(bǔ)給土壤：植物根系呼吸作用和有機(jī)質(zhì)分解深部高溫下，碳酸鹽巖地層的變質(zhì)作用CaCO3=CaO+CO2，SiO2+CaCO3=CaSiO3+CO2意義：溶解的CO2越多，地下水溶解某些礦物的能力越強(qiáng)第5頁(yè)/共47頁(yè)甲烷（CH4）、H2S來(lái)源：在封閉還原環(huán)境，有機(jī)質(zhì)與微生物參與的生物化學(xué)過(guò)程形成火山噴發(fā)

H2S還可來(lái)自硫化礦物分解指示意義：封閉還原環(huán)境H2S一般出現(xiàn)在深層地下水中，油田水中含量很高，常以此作為尋找石油的間接標(biāo)志SO42-→H2S第6頁(yè)/共47頁(yè)離子組分地下水的化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)溶解性總固體(TDS)：溶解在水中的無(wú)機(jī)鹽和有機(jī)物的總稱。不包括懸浮物和溶解氣體等成分。單位：mg/L、g/L礦化度：是指地下水中各種離子、分子與化合物的總量。單位mg/L、g/LTDS求算方法：105~110℃時(shí)將水蒸發(fā)所得的干涸殘余物總量陰陽(yáng)離子總和（水質(zhì)全分析）減去HCO3-含量之半表征第7頁(yè)/共47頁(yè)地下水中主要離子含量與TDS的關(guān)系地下水中主要離子成分隨總?cè)芙夤腆w的變化而變化。溶解度由大而小的順序是Cl->SO42->HCO3-低礦化水中HCO3-,Ca2+,Mg2+為主中等礦化水中陰離子SO42-為主，陽(yáng)離子以Na+,Ca2+為主高礦化水中Cl-,Na+為主鹵水中以CaCl2為主第8頁(yè)/共47頁(yè)CompanyLogo++++++++++Cl-++++++++SO42-+++++++HCO3-水中陰離子在地下水水流過(guò)程的（分布）變化第9頁(yè)/共47頁(yè)氯離子Cl-來(lái)源沉積巖中巖鹽、氯化物的溶解（鈉鹽、鉀鹽）巖漿巖含氯礦物氯磷灰石、方鈉石的風(fēng)化溶解；火山噴發(fā)物的溶濾海水人為污染：工業(yè)、生活污水和糞便特點(diǎn)溶解度大，隨礦化度增大，含量增大在水中最為穩(wěn)定：不為植物和細(xì)菌攝取，不被土壤顆粒表面吸附，水中遷移能力強(qiáng)第10頁(yè)/共47頁(yè)SO42-的來(lái)源沉積巖鹽類(lèi)、石膏的溶解金屬硫化物的氧化（煤系地層）火山噴發(fā)人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生SO2“酸雨”（黃鐵礦）SO42-的特點(diǎn)水中遷移能力很強(qiáng)，但次于Cl-

含量由數(shù)mg/L~數(shù)十g/L

硫酸根SO42-第11頁(yè)/共47頁(yè)HCO3-

、Ca2+、Mg2+碳酸鹽類(lèi)、石膏沉積物等的溶解巖漿巖和變質(zhì)巖地區(qū)鋁硅酸鹽礦物的溶解（鈉/鈣長(zhǎng)石、橄欖石等）泥灰?guī)r白云巖鈣長(zhǎng)石

大理巖來(lái)源HCO3-

通常是低TDS水的主要陰離子低TDS地下水中Mg2+含量通常低于Ca2+第12頁(yè)/共47頁(yè)

沉積巖中巖鹽的溶解（鉀鹽）巖漿巖變質(zhì)巖中含鉀礦物的風(fēng)化溶解K+特點(diǎn)：含量通常較Na+低；高TDS水中含量較多為植物攝取參與形成不溶于水的次生礦物（水云母、蒙脫石、絹云母等）來(lái)源第13頁(yè)/共47頁(yè)沉積巖中巖鹽的溶解（鈉鹽）巖漿巖和變質(zhì)巖的風(fēng)化溶解海水Na+酸性巖漿巖區(qū)常形成Na-HCO3型水

水中陽(yáng)離子以Na+為主時(shí)，HCO3-濃度可超過(guò)與Ca2+伴生時(shí)的上限來(lái)源第14頁(yè)/共47頁(yè)同位素組分何為同位素穩(wěn)定同位素和放射性同位素

常用穩(wěn)定同位素：18O、2H（D）、13C、34S、15N、87Sr、37Cl等常用放射性同位素：3H（T）、14C、222Rn、36Cl、129I等同位素的功用：計(jì)時(shí)（時(shí)鐘）和示蹤（示蹤劑）第15頁(yè)/共47頁(yè)同位素：示蹤劑全球大氣降水同位素分布（Frankenbergetal.,2009）

水循環(huán)中的水穩(wěn)定同位素分餾87Sr/86Sr識(shí)別混合關(guān)系大氣降水線：GMWL與LMWL水文地質(zhì)過(guò)程的識(shí)別第16頁(yè)/共47頁(yè)放射性同位素：時(shí)鐘在確定地下水年齡上，常采用放射性同位素方法，據(jù)放射性同位素衰變?cè)?，利用同位素衰變方程確定地下水年齡：式中：C0為補(bǔ)給時(shí)放射性同位素濃度（也稱輸入函數(shù))C為計(jì)算時(shí)放射性同位素濃度不同定年方法適用的時(shí)間尺度放射性同位素也可用于示蹤第17頁(yè)/共47頁(yè)其它組分次要離子：包括H+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、NH4+、OH-、NO2-、NO-、CO32-、SiO32-、PO43-等微量組分：Br、I、F、B、Sr等膠體：Fe(OH)3、Al(OH)3、H2SiO3有機(jī)質(zhì)：可增加地下水的酸度，有利于還原微生物：①氧化環(huán)境：硫細(xì)菌、鐵細(xì)菌等；②還原環(huán)境：脫硫酸細(xì)菌等；③污染水：致病細(xì)菌第18頁(yè)/共47頁(yè)地下水的溫度地殼表層的熱源：太陽(yáng)輻射+地球內(nèi)部的熱流。地殼表層按熱量平衡關(guān)系分帶：

變溫帶：地溫主要受太陽(yáng)輻射影響的地表極薄的地帶。下限15-30m

常溫帶：地溫基本等于當(dāng)?shù)仄骄隁鉁氐牡貛?。通常高出大氣年均溫?-2oC

增溫帶：地溫主要受地球內(nèi)熱影響的地帶。地溫梯度為noC/100m，一般為3oC/100m，介于1.5-4.0oC/100m之間。西藏羊八井地溫梯度為300oC/100m（地?zé)岙惓＃㏕=t+(H–h)×r第19頁(yè)/共47頁(yè)地下水化學(xué)成分形成作用溶濾作用定義：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，即溶濾作用。其結(jié)果是：巖土失去部分可溶物質(zhì)，而地下水中相應(yīng)補(bǔ)充了新的組分。如：CaCO3+H2O+CO2→2HCO3-+Ca2+巖土組分溶解的決定因素礦物的溶解度

巖土的空隙特征

水的溶解能力鹽類(lèi)溶解與溫度的關(guān)系第20頁(yè)/共47頁(yè)濃縮作用定義：蒸發(fā)濃縮作用是地下水通過(guò)蒸發(fā)排泄而引起水中成分的濃縮，使水中鹽分濃度增大、礦化度增高的現(xiàn)象必備條件：干旱半干旱的氣候低平地勢(shì)控制下的水位埋深小的地下水排泄區(qū)松散巖土顆粒細(xì)小，毛細(xì)作用強(qiáng)具有時(shí)間和空間的尺度第21頁(yè)/共47頁(yè)脫碳酸作用廣西百色羅妹蓮花洞鈣華臺(tái)地定義：脫碳酸作用是在溫度升高、壓力降低的情況下CO2自水中逸出而HCO3-含量則因形成碳酸鹽沉淀減少的過(guò)程Ca2+/Mg2++2HCO3-→CO2↑+H2O+Ca/MgCO3↓土耳其西代尼茲利省的棉花堡鈣華池第22頁(yè)/共47頁(yè)脫硫酸作用定義：脫硫酸作用是在封閉缺氧的還原環(huán)境中，有機(jī)物和脫硫酸細(xì)菌作用下，硫酸鹽分解為H2S和HCO3-的生物化學(xué)過(guò)程：SO22-+2C+2H2O→H2S+2HCO3-

封閉的地質(zhì)構(gòu)造為其有利環(huán)境，油水中有H2S，為找油標(biāo)志反硝化作用：水中氮氧化物在去氮菌作用下分解亞硝酸鹽和硝酸鹽、最后排出自由氮的過(guò)程，是水中富含N2和CO2硝化作用：有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生的酸在硝化菌作用下使銨氧化生成亞硝酸鹽和硝酸鹽的過(guò)程硝化、反硝化作用第23頁(yè)/共47頁(yè)陽(yáng)離子交替吸附作用定義：陽(yáng)離子交替吸附作用是地下水與巖石相互作用，巖石顆粒表面吸附的陽(yáng)離子被水中陽(yáng)離子置換，并使水化學(xué)成分發(fā)生改變的過(guò)程吸附能力：H+>Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+陽(yáng)離子交替吸附作用取決于巖土的吸附能力、巖土的比表面積、離子的相對(duì)濃度第24頁(yè)/共47頁(yè)混合作用定義：混合作用是指兩種或兩種以上不同成分水之間的混合，使原水的化學(xué)成分發(fā)生改變的作用。物理混合：不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)化學(xué)混合：發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，如：Ca(HCO3)2+Na2SO4

→CaSO4↓+2NaHCO3第25頁(yè)/共47頁(yè)人類(lèi)活動(dòng)對(duì)地下水化學(xué)成分的影響污染物排放如：工業(yè)“三廢”、農(nóng)藥化肥的使用通過(guò)改變地下水形成條件而改變地下水的化學(xué)成分，如：濱海地區(qū)過(guò)量開(kāi)采地下水引起海水入侵不合理的打井采水使咸水運(yùn)移干旱區(qū)不合理引入地表水灌溉，使淺層地下水位上升，引起大面積次生鹽漬化，并使淺層地下水變咸咸水區(qū)挖渠打井，降低地下水位，減少蒸發(fā)量，可使地下水淡化；或引區(qū)外淡的地表水合理補(bǔ)給地下水，可使地下水變淡第26頁(yè)/共47頁(yè)地下基本成因類(lèi)型及其化學(xué)特征溶濾水定義：由富含CO2和O2的水滲入補(bǔ)給并溶濾其所流經(jīng)巖土而獲得主要化學(xué)成分的地下水其成分受巖性、氣候、地形等因素的影響。在大范圍上，受氣候控制而有分帶性巖性石灰?guī)r、白云巖區(qū)，水中HCO3-、Ca2+、Mg2+為主含石膏的沉積巖區(qū)，水中SO42-、Ca2+較多酸性巖漿巖區(qū)，多為HCO3—Na型水基性巖漿巖區(qū)，水中常富含Mg2+煤系地層、金屬硫化物礦床分布區(qū)，多為硫酸鹽水氣候：控制地下水循環(huán)速率、蒸發(fā)強(qiáng)度

地形：控制地下水循環(huán)速率第27頁(yè)/共47頁(yè)干旱區(qū)山間盆地地下水化學(xué)分帶最為典型第28頁(yè)/共47頁(yè)定義：與沉積物大體同時(shí)形成由古地表水演變而成的古地下水。是在沉積過(guò)程中保存在沉積物空隙中的水例子：海相淤泥水海水：TDS~35g/L，γNa/γCl（毫克當(dāng)量比）=0.85，Cl/Br（質(zhì)量比）=29.3海相淤泥水：常含大量有機(jī)質(zhì)和各種微生物，處于缺氧環(huán)境，利于生物化學(xué)作用?；瘜W(xué)特征：

TDS很高，可達(dá)300g/LSO42-減少或消失出現(xiàn)H2S、CH4、銨、氮

pH值增高鈣Ca2+含量相對(duì)增加，Na+減少，rNa/rCl<0.85

富集Br、I，Cl/Br變小 沉積水第29頁(yè)/共47頁(yè)內(nèi)生水定義：源自地球深部層圈的地下水，亦即來(lái)自地球內(nèi)部在巖漿冷卻等地質(zhì)作用下形成的地下水典型化學(xué)特征不明俄羅斯花崗巖包體中水：TDS~100-200g/L

冰島玄武巖區(qū)熱蒸汽冷凝水：TDS1-2g/L，為HS·HCO3-Na型第30頁(yè)/共47頁(yè)地下水化學(xué)成分分析及其圖示

地下水化學(xué)分析內(nèi)容簡(jiǎn)分析：測(cè)試項(xiàng)目少、要求精度低。用于了解區(qū)域地下水化學(xué)成分概貌物理性質(zhì)（溫度、顏色、透明度、嗅味、味道等）、HCO3-,SO42-,Cl-,Ca2+,總硬度、pH值、TDS；NO3-,NO2-,NH4+,Fe2+,Fe3+,H2S、耗氧量。單位為mg/L,mmol/L等全分析：測(cè)試項(xiàng)目多、要求精度高。用于全面了解地下水化學(xué)成分化學(xué)成分HCO32-,CO32-,SO42-,Cl-,NO3-,NO2-；Ca2+,Mg2+,Na+,K+,NH4+,Fe2+,Fe3+,Mn2+；H2S、CO2、耗氧量；總硬度、pH值、TDS；微量元素、痕量元素；研究水的侵蝕性時(shí)需分水的侵蝕性CO2。單位為mg/Lmmol/L專(zhuān)項(xiàng)分析：視不同應(yīng)用目的而定細(xì)菌類(lèi)、放射性、重金屬、有機(jī)組分等第31頁(yè)/共47頁(yè)第32頁(yè)/共47頁(yè)第33頁(yè)/共47頁(yè)地下水化學(xué)特征分類(lèi)及圖示步驟：將陰、陽(yáng)離子分別列于橫線上、下，按離子含量的毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)（meq%）自大到小依次排列毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)小于10%的離子不予表示橫線前依次表示特殊組分、氣體、TDS（M），三者單位均為g/L

橫線后為水溫t（℃）庫(kù)爾洛夫式以類(lèi)似數(shù)學(xué)分式形式表示單個(gè)水樣化學(xué)成分的含量和組成簡(jiǎn)明反應(yīng)水化學(xué)成分特點(diǎn)第34頁(yè)/共47頁(yè)第35頁(yè)/共47頁(yè)據(jù)地下水中6種主要離子（Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-、Cl-，K+合并于Na+）及TDS劃分將6種主要離子中毫克當(dāng)量>25%的陰、陽(yáng)離子組合為49型水，以阿拉伯?dāng)?shù)字為代號(hào)按TDS（M）的大小劃分為4組A組——M≤1.5g/LB組——1.5＜M≤10g/LC組——10＜M≤40g/LD組——M＞40g/L將水化學(xué)類(lèi)型用數(shù)字（1～49）與字母（A、B、C或D）組合表達(dá)，如1-A含量超過(guò)25%毫克當(dāng)量的離子組合HCO3HCO3+SO4HCO3+SO4+ClHCO3+ClSO4SO4+ClClCa181522293643Ca+Mg291623303744Mg3101724313845Na+Ca4111825323946Na+Ca+Mg5121926334047Na+Mg6132027344148Na7142128354249舒卡列夫分類(lèi)優(yōu)點(diǎn)簡(jiǎn)明易懂，在我國(guó)廣泛應(yīng)用從圖表的左上角向右下角大體與地下水總的礦化作用過(guò)程一致缺點(diǎn)以25％毫克當(dāng)量為劃分水型的依據(jù)帶有主觀性；在分類(lèi)中，對(duì)大于25％毫克當(dāng)量的離子未反映其大小的次序，刻畫(huà)水質(zhì)變化不夠細(xì)致第36頁(yè)/共47頁(yè)派珀三線圖(Pipertrilineardiagram)任一水樣的陰陽(yáng)離子的相對(duì)含量在兩個(gè)三角形中以帶標(biāo)號(hào)的圓圈表示，引線在菱形中的交點(diǎn)處以圓圈表示，其大小與TDS成正比第37頁(yè)/共47頁(yè)P(yáng)iper三線圖分區(qū)優(yōu)點(diǎn)不受人為影響從菱形中可看出水樣的一般化學(xué)特征，在三角形中可以看出各種離子的相對(duì)含量將一個(gè)地區(qū)的水樣標(biāo)在圖上，可以分析地下水化學(xué)成分的演變規(guī)律第38頁(yè)/共47頁(yè)老子山地?zé)崽锛班弲^(qū)地質(zhì)圖位于洪澤湖南岸、老子山東北淮河口熱田區(qū)海拔12~13m；西部緊鄰老子山-佛窩低山殘丘區(qū)，海拔50~140m老子山地?zé)崽锏貙泳C合柱狀圖案例：中低溫對(duì)流型地?zé)嵯到y(tǒng)成因第39頁(yè)/共47頁(yè)老子山地?zé)崽颰1-T2井地?zé)岬刭|(zhì)剖面圖（顧萍等,2001）

老子山地?zé)崽餃\部地溫等值線圖（顧萍等,2001）老子山熱田位于NW向張性斷裂與NNE向左行壓性、壓扭性平移斷層交匯處地下水活動(dòng)對(duì)地溫場(chǎng)產(chǎn)生顯著擾動(dòng)

熱水通道第40頁(yè)/共47頁(yè)

補(bǔ)給來(lái)源老子山地?zé)崽锛班弲^(qū)水樣Langelier-Ludwig圖老子山地?zé)崽锛班弲^(qū)水樣穩(wěn)定同位素組成水化學(xué)類(lèi)型為Na-Ca-SO4-Cl型，TDS2000mg/L；第四系地下水存在熱水混入老子山T1和T3井地?zé)崴凰亟M成最為虧損第41頁(yè)/共47頁(yè)老子山地?zé)崴c地下水、洪澤湖水的混合關(guān)系圖補(bǔ)給高程H=(δ18Ogw

-

δ18Or)/gradδ18O

+Hrgradδ18O=-0.2‰δ18Or=-7.9‰和

-7.7‰Hr

=27m和15m補(bǔ)給高程=177m和265m補(bǔ)給區(qū)位于盱眙南部丘陵區(qū)熱水年齡T1井水樣氚濃度為13.8TU，而T3井為1.1TU選擇T3井14C數(shù)據(jù)算得