地下水化學(xué)成分課件

第七章地下水化學(xué)成分1、地下水的化學(xué)成分是地下水與環(huán)境－自然地理、地質(zhì)背景以及人類活動(dòng)－長(zhǎng)期相互作用的產(chǎn)物。一個(gè)地區(qū)地下水的化學(xué)面貌，反映了該地區(qū)地下水的歷史演變。研究地下水的化學(xué)成分，可以幫助我們回溯一個(gè)地區(qū)的水文地質(zhì)歷史，闡明地下水的起源與形成。

2、水是最為常見的良好溶劑。它溶解巖土的組分，搬運(yùn)這些組分，并在某走些情況下將某些組分從水中析出。水是地球中元素遷移、分散與富集的載體。許多地質(zhì)過程（巖溶、沉積、成巖、變質(zhì)、成礦）都涉及地下水的化學(xué)作用。

第一節(jié)、概述第七章地下水化學(xué)成分1、地下水的化學(xué)成分是地下水與環(huán)境－自3、地下水中化學(xué)元素遷移、聚集與分散的規(guī)律，是水文地質(zhì)學(xué)的分支－水文地球化學(xué)的研究?jī)?nèi)容。地下水中元素遷移不能脫離水的流動(dòng)，因此水文地球化學(xué)的研究必須與地下水運(yùn)動(dòng)的研究緊密結(jié)合。地下水水質(zhì)的演變具有時(shí)間上繼承的特點(diǎn)，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、靜止地研究地下水的化學(xué)成分及其形成，而必須從水與環(huán)境長(zhǎng)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。3、地下水中化學(xué)元素遷移、聚集與分散的規(guī)律，是水文地質(zhì)學(xué)的分第二節(jié)、地下水的化學(xué)特征

地下水中含有各種氣體、離子、膠體物質(zhì)、有機(jī)質(zhì)以及微生物等。1、地下水中主要?dú)怏w成分——地下水中常見的氣體成分有O2、N2、CO2、CH4、及H2S等，尤以前三種為主?！ǔＧ闆r下，地下水中氣體含量不高，每公升水中只有幾毫克到幾十毫克?！叵滤械臍怏w成分很有意義。一方面，氣體成分能夠說明地下水所處的地球化學(xué)環(huán)境；另一方面，地下水中的有些氣體會(huì)增加水溶解鹽類的能力，促進(jìn)某些化學(xué)反應(yīng)。第二節(jié)、地下水的化學(xué)特征地下水中含有各種氣體、離子（1）氧(O2)、氮(N2)——地下水中氧氣和氮?dú)庵饕獊碓从诖髿?。它們隨同大氣降水及地表水補(bǔ)給地下水，因此，以入滲補(bǔ)給為主、與大氣圈關(guān)系密切的地下水中含O2及N2較多?！芙庋鹾坑啵f明地下水所處的地球化學(xué)環(huán)境愈有利于氧化作用進(jìn)行?！狾2的化學(xué)性質(zhì)遠(yuǎn)較N2為活潑，在較封閉的環(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?！髿庵械亩栊詺怏w(Ar、Kr、Xe)與N2的比例恒定，即：(Ar+Kr+Xe)/N2=0.0118。比值等于此數(shù)，說明N2是大氣起源的；小于此數(shù)，則表明水中含有生物起源或變質(zhì)起源的N2。（1）氧(O2)、氮(N2)（2）硫化氫(H2S)、甲烷(CH4)——地下水中出現(xiàn)H2S與CH4，其意義恰好與出現(xiàn)O2相反，說明處于還原的地球化學(xué)環(huán)境?！@兩種氣體的生成，均在與大氣比較隔絕的環(huán)境中，有有機(jī)物存在，微生物參與的生物化學(xué)過程有關(guān)。其中，H2S是SO42-的還原產(chǎn)物。

（2）硫化氫(H2S)、甲烷(CH4)(3)二氧化碳(CO2)——地下水中的CO2主要來源于土壤。有機(jī)質(zhì)殘骸的發(fā)酵作用與植物的呼吸作用使土壤中源源不斷產(chǎn)生CO2并溶入流經(jīng)土壤的地下水中。——含碳酸鹽類的巖石，在深部高溫下，也可以變質(zhì)生成CO2——在少數(shù)情況下，地下水中可能富含CO2，甚至高達(dá)1g/L以上?！I(yè)與生活應(yīng)用化石燃料（煤、石油、天然氣），使大氣中人為產(chǎn)生的CO2明顯增加。由此引起了溫室效應(yīng)，使氣溫上升。——地下水中含CO2愈多，其溶解碳酸鹽巖與對(duì)晶巖進(jìn)行風(fēng)化作用的能力便愈強(qiáng)。

(3)二氧化碳(CO2)——地下水中分布最廣、含量較多的離子共七種，即：氯離子(Cl-)、硫酸根離子(SO42-)、重碳酸根離子(HCO3-)、鈉離子(Na+)、鉀離子(K+)、鈣離子(Ca2+)及鎂離子(Mg2+)?！獦?gòu)成這些離子的元素，或是地殼中含量較高，且較易溶于水的(如O2、Ca、Mg、Na、K)，或是地殼中含量雖不很大，但極易溶于水的（Cl、以SO42-形式出現(xiàn)的S）。Si、Al、Fe等元素，雖然地殼中含量很大，但由于其難溶于水，地下水中含量通常不大。

2、地下水中主要離子成分——地下水中分布最廣、含量較多的離子共七種，即：氯離子(Cl——一般情況下，隨著總礦化度（總?cè)芙夤腆w）的變化，地下水中占主要地位的離子成分也隨之發(fā)生變化。低礦化水中常以HCO3-及Ca2+、Mg2+為主；高礦化水則以Cl-及Na+為主；中等礦化的地下水中，陰離子常以SO42-為主，主要陽離子則可以是Na+，也可以是Ca2+?！叵滤牡V化度與離子成分間之所以往往具有這種對(duì)應(yīng)關(guān)系，一個(gè)主要原因是水中鹽類的溶解度不同。

——一般情況下，隨著總礦化度（總?cè)芙夤腆w）的變化，地下水中占地下水化學(xué)成分課件（1）氯離子(Cl-)★氯離子在地下水中廣泛分布，但在低礦化水中一般含量?jī)H數(shù)毫克/升到數(shù)十毫克/升，高礦化水中可達(dá)數(shù)克/升乃至100克/升以上。

離子與礦化度相關(guān)系數(shù)較高，Na＋為0.91，Cl－0.84勝利、蘇北、酒泉、鄂爾多斯（J）（1）氯離子(Cl-)

離子與礦化度相關(guān)系數(shù)較高，Na＋為★地下水中Cl-的主要來源——來自沉積巖中所含巖鹽或其它氯化物的溶解；——來自巖漿巖中含氯礦物[氯磷灰石Ca5(PO4)3Cl、方鈉石NaAlSiO4?NaCl]的風(fēng)化溶解；——來自海水：海水補(bǔ)給地下水，或者來自海面的風(fēng)將細(xì)沫狀的海水帶到陸地，使地下水中Cl-增多；——來自火山噴發(fā)物的溶濾；

——人為污染：工業(yè)、生活污水及糞便中含有大量Cl-，因此，居民點(diǎn)附近礦化度不離的地下水中，如發(fā)現(xiàn)Cl-的含量超過尋常，則說明很可能已受到污染。

★地下水中Cl-的主要來源★氯離子不為植物及細(xì)菌所攝取，不被土粒表面吸附，氯鹽溶解度大，不易沉淀析出，是地下水中最穩(wěn)定的離子。它的含量隨著礦化度增長(zhǎng)而不斷增加，Cl-的含量?？捎脕碚f明地下水的礦化程度?！锫入x子不為植物及細(xì)菌所攝取，不被土粒表面吸附，氯鹽溶解度(2)硫酸根離子(SO42-)★在高礦化水中，硫酸根離子的含量?jī)H次于Cl-，可達(dá)數(shù)克/升個(gè)別達(dá)數(shù)十克/升；在低礦化水中，一般含量?jī)H數(shù)毫克/升到數(shù)百毫克/升；中等礦化的水中，SO42-常成為含量最多的陰離子。

(2)硫酸根離子(SO42-)★地下水中SO42-的主要來源——地下水中的SO42-來自含石膏(CaSO4?2H2O)或其它硫酸鹽的沉積巖的溶解?！蚧锏难趸瑒t使本來難溶于水的S以SO42-形式大量進(jìn)入水中。例如：2FeS2+7O2+2H2O→2FeSO4+4H++2SO42-(6-2)

煤系地層常含有很多黃鐵礦，因此流經(jīng)這類地層的地下水往往以SO42-為主，金屬硫化物礦床附近的地下水也常含有大量SO42-?！剂系娜紵o大氣提供了人為作用產(chǎn)生的SO2與氮氧化合物（每年2－2.5×108t），氧化并吸收水分后構(gòu)成富含硫酸及硝酸的降水－“酸雨”，從而使地下水中SO42-增加?！锏叵滤蠸O42-的主要來源★由于CaSO4的溶解度較小，限制了SO42-在水中的含量，所以，地下水中的SO42-遠(yuǎn)不如Cl-來得穩(wěn)定，最高含量也遠(yuǎn)低于Cl-。

★由于CaSO4的溶解度較小，限制了SO42-在水中的含量（3）重碳酸根離子(HCO3-)地下水中HCO3-的含量一般不超過數(shù)百毫克/升，HCO3-幾乎總是低礦化水的主要陰離子成分。（3）重碳酸根離子(HCO3-)地下水中HCO3-的地下水中的重碳酸的來源：——來自含碳酸鹽的沉積巖與變質(zhì)巖（如大理巖）：CaCO3+H2O+CO2→2HCO3-+Ca2+(6-3)MgCO3+H2O+CO2→2HCO3-+Mg2+(6-4)CaCO3

和MgCO3是難溶于水的，當(dāng)水中有CO2存在時(shí)，方有一定數(shù)量溶解于水，水中HCO3-的含量取決于與CO2含量的平衡關(guān)系?！獛r漿巖與變質(zhì)巖地區(qū)，HCO3-主要來自鋁硅酸鹽礦物(鈉長(zhǎng)石和鈣長(zhǎng)石)的風(fēng)化溶解，如：Na2Al2Si6O16+2CO2+3H2O→2HCO3-+

2Na++H4Al2Si2O9+4SiO2CaO?2Al2O3?4SiO2+2CO2+5H2O→2HCO3-+Ca2++2H4Al2Si2O9地下水中的重碳酸的來源：（4）鈉離子(Na+)——鈉離子在低礦化水中的含量一般很低，僅數(shù)毫克/升到數(shù)十毫克/升，但在高礦化水中則是主要的陽離子，其含量最高可達(dá)數(shù)十克/升。

——Na+來自沉積巖中巖鹽及其它鈉鹽的溶解，還可來自海水。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(zhǎng)石；因此，在CO2和H2O的參與下，將形成低礦化的以Na+及HCO3-為主的地下水。由于Na2CO3的溶解度比較大，故當(dāng)陽離子以Na+為主時(shí)，水中HCO3-的含量可超過與Ca2+伴生時(shí)的上限。（4）鈉離子(Na+)（5）鉀離子(K+)——鉀離子的來源以及在地下水中的分布特點(diǎn)，與鈉相近。它來自含鉀鹽類沉積巖的溶解，以及巖漿巖、變質(zhì)巖中含鉀礦物的風(fēng)化溶解?！诘偷V化水中含量甚微，而在高礦化水中較多。雖然在地殼中鉀的含量與鈉相近，鉀鹽的溶解度也相當(dāng)大。但是，在地下水中K+的含量要比Na+少得多；這是因?yàn)镵+大量地參與形成不溶于水的次生礦物（水云母、蒙脫石、絹云母），并易為植物所攝取?！捎贙+的性質(zhì)與Na+相近，含量少，分析比較費(fèi)事，所以，一般情況下，將K+歸并到Na+中，不另區(qū)分。

（5）鉀離子(K+)（6）鈣離子(Ca2+)——鈣是低礦化地下水中的主要陽離子，其含量一般不超過數(shù)百毫克/升。在高礦化水中，由于陰離子主要是Cl-，而CaCl2的溶解度相當(dāng)大，故Ca2+的絕對(duì)含量顯著增大，但通常仍遠(yuǎn)低于Na+。礦化度格外高的水，鈣也可成為主要離子。

——地下水中的Ca2+來源于碳酸鹽類沉積物及含石膏沉積物的溶解，以及巖漿巖、變質(zhì)巖中含鈣礦物的風(fēng)化溶解。

（6）鈣離子(Ca2+)（7）鎂離子(Mg2+)——鎂的來源及其在地下水中的分布與鈣相近。來源于含鎂的碳酸鹽類沉積（白云巖、泥灰?guī)r），此外，還來自巖漿巖、變質(zhì)巖中含鎂礦物的風(fēng)化溶解，如：(Mg?Fe)2SiO4+2H2O+2CO2→MgCO3+FeCO3+Si(OH)4MgCO3+H2O+CO2→Mg2++2HCO3-

——Mg2+在低礦化水中含量通常較Ca2+少，通常不成為地下水中的主要離子，部分原因是由于地殼組中Mg比Ca少。

（7）鎂離子(Mg2+)3、地下水中的其它成分——地下水還有一些次要離子，如H+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、NH4+、OH-、NO2-、NO3-、CO32-、SiO32-及PO43-等?！叵滤械奈⒘拷M分，有Br、I、F、B、Sr等?！叵滤幸晕措x解的化合物構(gòu)成的膠體，主要有Fe(OH)3、Al(OH)3及H2SiO3等，有時(shí)可占到相當(dāng)比例?！袡C(jī)質(zhì)也經(jīng)常以膠體方式存在于地下水中。有機(jī)質(zhì)的存在，常使地下水酸度增加，并有利于還原作用?！叵滤羞€存在各種微生物。例如，在氧化環(huán)境中存在硫細(xì)菌、鐵細(xì)菌等；在還原環(huán)境中存在脫硫酸細(xì)菌等；此外，在污染水中，還有各種致病細(xì)菌。

3、地下水中的其它成分——地下水還有一些次要離子，如H+、F4、地下水的總礦化度及化學(xué)成分表示式——地下水中所含各種離子、分子與化合物的總量稱為總礦化度（總?cè)芙夤腆w），以每公升中所含克數(shù)（g/L）表示?！?xí)慣上以105°－110℃時(shí)將水蒸干所得的干