地下水的化學(xué)成分

水文地質(zhì)學(xué)第七講地下水的化學(xué)成分及其形成作用2023/12/62OUTLINE地下水化學(xué)成分概述地下水的化學(xué)特征主要?dú)怏w成分主要離子成分地下水化學(xué)成分表達(dá)式地下水的溫度2023/12/63概述地下水不是化學(xué)純的H2O，而是復(fù)雜的溶液。賦存并運(yùn)移于巖石空隙中的地下水，不斷地與巖土發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，溶解巖石中的礦物質(zhì)，與所接觸的巖石圈、水圈、生物圈進(jìn)行化學(xué)成分的交換；人類(lèi)活動(dòng)也對(duì)地下水的化學(xué)成分造成影響，特定條件下，人類(lèi)活動(dòng)的影響非常顯著。大多數(shù)情況下，地下水化學(xué)成分的改變都伴隨著水量的交換而發(fā)生。因此，地下水的化學(xué)成分是地下水與環(huán)境長(zhǎng)期相互作用的產(chǎn)物?；瘜W(xué)成分是地下水的重要特征之一。2023/12/64概述地下水是良好的溶劑。地下水溶解巖石的組成成分，搬運(yùn)這些組分，并在某些情況下將其中的某些組分析出。水是地球中元素遷移、分散與聚集的載體。水也是許多地質(zhì)過(guò)程的參與者，如巖溶、沉積、成礦等地質(zhì)過(guò)程中都有地下水的化學(xué)作用。2023/12/65概述地下水的利用和防治都需要關(guān)注地下水的水質(zhì)，主要就是地下水的化學(xué)成分。如飲用水對(duì)水質(zhì)有嚴(yán)格的要求，需要進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)富含大量鹽類(lèi)或富集稀有元素的水本身就是液體礦床。具有特殊物理性質(zhì)和化學(xué)成分的地下水具有醫(yī)療意義?？刂莆廴疚镌诘叵滤械臄U(kuò)散，需要查明有關(guān)污染物的遷移、分散規(guī)律，確定污染源和擴(kuò)散途徑。2023/12/66概述水文地球化學(xué)（Hydro-geo-chemistry），是水文地質(zhì)學(xué)的一個(gè)分支，是專(zhuān)門(mén)研究地下水中化學(xué)成分的遷移、聚集與分散的規(guī)律，并加以應(yīng)用的科學(xué)。地下水動(dòng)力學(xué)（Hydro-dynamics），是水文地質(zhì)學(xué)的另一個(gè)分支，專(zhuān)門(mén)研究地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律和水量的學(xué)科。地下水中元素的遷移不能脫離地下水的運(yùn)動(dòng)，不能孤立、靜止地研究地下水的化學(xué)成分及其形成規(guī)律。正確的觀(guān)點(diǎn)是： 水文地球化學(xué)的研究必須與地下水運(yùn)動(dòng)的研究相結(jié)合；必須從水與環(huán)境長(zhǎng)期相互作用的角度，揭示地下水化學(xué)演化的內(nèi)在機(jī)制與規(guī)律。2023/12/67地下水的化學(xué)特征地下水中的氣體成分：有O2、N2、CO2、CH4及H2S等。氣體成分在水中含量不高，幾個(gè)~幾十個(gè)毫克；但有一定的作用：可指示地下水的化學(xué)環(huán)境，侵蝕CO2可增強(qiáng)地下水的溶解能力。O2和N2：地下水中的氧氣和氮?dú)庵饕獊?lái)源于大氣降水的入滲。水中溶解的氧氣越多，則越有利于氧化作用的進(jìn)行。氧氣遠(yuǎn)比氮?dú)饣顫姡诜忾]環(huán)境中，氧將會(huì)耗盡只留下氮?dú)?，因此氮?dú)獾膯为?dú)存在說(shuō)明處于還原環(huán)境，地下水起源于大氣。另外，大氣中的惰性氣體與氮?dú)獾谋壤愣?，等?.0118，如果地下水中的比例等于此值，則說(shuō)明氮?dú)鈦?lái)源于大氣。CH4及H2S：地下水中出現(xiàn)CH4及H2S，說(shuō)明地下水處于還原環(huán)境。這兩種氣體的生成，均在與大氣隔絕的環(huán)境中，有機(jī)質(zhì)存在，在微生物參與的生物化學(xué)反應(yīng)有關(guān)。2023/12/68地下水的化學(xué)特征地下水中的氣體成分CO2：除了大氣中CO2隨降水入滲外，地下水中的CO2主要來(lái)源于土壤，土壤中有機(jī)質(zhì)的發(fā)酵作用和植物的呼吸作用使土壤中不斷產(chǎn)生二氧化碳，并溶入經(jīng)過(guò)土壤的地下水中。含碳酸類(lèi)巖石在高溫下的變質(zhì)作用，而會(huì)產(chǎn)生CO2。地下水中CO2的含量增多，其溶解碳酸鹽巖的能力和對(duì)結(jié)晶巖進(jìn)行風(fēng)化的能力都會(huì)增強(qiáng)。有侵蝕CO2和游離CO2之說(shuō)。人類(lèi)活動(dòng)對(duì)大氣的影響之一：溫室效應(yīng)人為產(chǎn)生的CO2明顯增加。19世紀(jì)中葉，大氣中CO2濃度為290ppm，1980年，大氣中CO2濃度升高到338ppm。1991年人類(lèi)每年排放到大氣中CO2為53*108t。溫室效應(yīng)是指透射陽(yáng)光的密閉空間由于與外界缺乏熱交換而形成的保溫效應(yīng)，就是太陽(yáng)短波輻射可以透過(guò)大氣射入地面，而地面增暖后放出的長(zhǎng)短輻射卻被大氣中的二氧化碳等物質(zhì)所吸收，從而產(chǎn)生大氣變暖的效應(yīng)。大氣中的二氧化碳就像一層厚厚的玻璃，使地球變成了一個(gè)大暖房。據(jù)估計(jì)，如果沒(méi)有大氣，地表平均溫度就會(huì)下降到-23℃，而實(shí)際地表平均溫度為15℃，這就是說(shuō)溫室效應(yīng)使地表溫度提高38℃。

2023/12/69溫室效應(yīng)2023/12/610地下水的化學(xué)特征地下水的主要離子成分：分布廣且含量高的離子包括氯離子、硫酸根離子、重碳酸根離子、鈉離子、鉀離子、鈣離子和鎂離子，共七種離子.構(gòu)成這些離子的元素有兩類(lèi)：地殼中含量較高，且較易溶于水的元素；地殼中含量不算高，但是極易溶于水的元素。隨著地下水總礦化度的變化，占主要地位的離子成分也隨之變化：低礦化度水，常以重碳酸根離子、鈣離子和鎂離子為主；高礦化度水，則以氯離子和鈉離子為主；中等礦化度水中，陰離子常以硫酸根離子為主，陽(yáng)離子以鈉離子或鈣離子為主。定義：地下水中所含的各種離子、分子與化合物的總量，稱(chēng)為總礦化度（總?cè)芙夤腆w）。2023/12/611地下水的化學(xué)特征鹽類(lèi)的溶解度與地下水礦化度、主要離子含量之間的關(guān)系。表6-1(0°C)。鹽類(lèi)溶解度鹽類(lèi)溶解度NaCl350MgSO4270KCl290CaSO41.9MgCl558.1(18°C)Na2CO3193.9(18°C)CaCl731.9(18°C)MgCO30.1Na2SO450氯鹽溶解度最大，硫酸鹽次之，碳酸鹽最小。2023/12/612地下水的化學(xué)特征：主要離子成分氯離子（Cl-）：高礦化度水的主要陰離子含量：低礦化水中，僅數(shù)毫克至數(shù)十毫克/升；高礦化水中，數(shù)克/升至100克/升以上。來(lái)源：1）沉積巖中巖鹽或其他氯化物的溶解；2）巖漿巖中含氯礦物的風(fēng)化溶解；3）來(lái)自海水或海風(fēng)；4）火山噴發(fā)物的溶濾；5）人為污染，如工業(yè)、生活污水中含有大量的Cl-。特點(diǎn):是地下水中最穩(wěn)定的離子（不被吸收、吸附、不析出）THANKYOUSUCCESS2023/12/613可編輯2023/12/614地下水的化學(xué)特征：主要離子成分硫酸根離子（SO42-）：中等礦化度水的主要陰離子含量：低礦化水中，僅數(shù)毫克至數(shù)十毫克/升；高礦化水中，數(shù)克/升至數(shù)十克/升。來(lái)源：1）沉積巖中含石膏或其他硫酸鹽的溶解；2）硫化物的氧化。特點(diǎn):受硫酸鈣溶解度的控制，不夠穩(wěn)定，最高含量也比氯離子低得多。酸雨：化石燃料的燃燒，給大氣提供了大量的SO2和其他氮氧化合物，氧化并吸收水分后構(gòu)成富含硫酸和硝酸的降水，即“酸雨”。這也成為地下水中硫酸根離子的來(lái)源之一。2023/12/615地下水的化學(xué)特征：主要離子成分重碳酸根離子（HCO3-）：低礦化度水的主要陰離子含量：一般不超過(guò)幾百毫克/升。來(lái)源：1）沉積巖和變質(zhì)巖中碳酸鹽的溶解；2）巖漿巖地區(qū)，則來(lái)自鋁硅酸鹽的風(fēng)化溶解。需要說(shuō)明的，CaCO3和MgCO3在水中溶解度很低，當(dāng)水中有CO2時(shí)，才有一定數(shù)量碳酸鹽溶于水，水中的HCO3-的含量與CO2含量存在一個(gè)平衡關(guān)系。2023/12/616地下水的化學(xué)特征：主要離子成分鈉離子（Na+）：高礦化度水的主要陽(yáng)離子含量：低礦化度水中含量少，但在高礦化度水中可達(dá)到數(shù)十克/升。來(lái)源：1）沉積巖中巖鹽和其他鈉鹽的溶解；2）巖漿巖與變質(zhì)巖地區(qū)，則來(lái)自含鈉礦物的風(fēng)化溶解。酸性巖漿巖中含有大量的含鈉礦物，在CO2和H2O的參與下，可以形成以Na+和HCO3-為主的地下水。2023/12/617地下水的化學(xué)特征：主要離子成分鉀離子（K+）：含量：低礦化度水中含量甚微，在高礦化度水中含量較多。來(lái)源：1）含鉀鹽沉積物的溶解；2）巖漿巖與變質(zhì)巖地區(qū)，則來(lái)自含鉀礦物的風(fēng)化溶解。與鈉離子來(lái)源很相似。地殼中鉀元素的含量與鈉相似，且鉀鹽溶解度又相當(dāng)大，但是地下水中，K+含量比Na+含量少得多。Why?因?yàn)镵+大量地參與形成不溶于水的次生礦物（水云母、蒙脫石等），并易于被植物吸收。2023/12/618地下水的化學(xué)特征：主要離子成分鈣離子（Ca2+）：是低礦化度地下水的主要陽(yáng)離子含量：一般不超過(guò)幾百毫克/升。但在高礦化度水中，由于主要陰離子是Cl-

，而且CaCl2的溶解度比較大，因此Ca2+的絕對(duì)含量會(huì)增加，但遠(yuǎn)小于Na+的含量。來(lái)源：1）碳酸鹽沉積物和含石膏沉積物的溶解；2）巖漿巖與變質(zhì)巖地區(qū)，則來(lái)自含鈣礦物的風(fēng)化溶解。同樣，與鈉離子來(lái)源很相似。2023/12/619地下水的化學(xué)特征：主要離子成分鎂離子（Mg2+）：通常不成為地下水的主要陽(yáng)離子含量：主要存在于低礦化度水中，但又比Ca2+含量少，原因在于地殼中鎂元素比鈣含量少。來(lái)源：1）含鎂碳酸鹽沉積物（如白云巖與泥灰?guī)r）的溶解；2）巖漿巖與變質(zhì)巖地區(qū)，則來(lái)自含鎂礦物的風(fēng)化溶解。與鈣離子來(lái)源很相似。2023/12/620地下水的化學(xué)特征：其他成分除了上述的主要?dú)怏w成分和主要離子成分外，地下水中還含有以下次要成分：次要離子，如NH4+、Fe2+、Fe3+、NO2-、NO3-等。微量元素的組分，如Br、I、F等未溶解的化合物膠體有機(jī)質(zhì)各種微生物，如氧化環(huán)境中的硫細(xì)菌、鐵細(xì)菌，以及還原環(huán)境中的脫硫酸菌等2023/12/621總礦化度及化學(xué)成分表達(dá)式地下水中所含的各種離子、分子與化合物的總量，稱(chēng)為總礦化度（總?cè)芙夤腆w）。試驗(yàn)方法：以105—110°C時(shí)將水蒸干所得到的干涸殘余物總量（質(zhì)量，以g為單位）來(lái)表征地下水的總礦化度。計(jì)算方法：在水化學(xué)分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，將分析所得的各種陰陽(yáng)離子含量相加，求得理論上的干涸殘余物。需要說(shuō)明的是，在采用蒸干法測(cè)定總礦化度時(shí)，水中一半的HCO3-分解成水和二氧化碳逸失，因此相加時(shí)HCO3-只取重量的一半。2023/12/622庫(kù)爾洛夫表達(dá)式將陰陽(yáng)離子分別標(biāo)示在橫線(xiàn)上下，按毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)自大到小的順序排列，小于10%的離子不予顯示。橫線(xiàn)前依次是氣體成分、特殊成分及礦化度M，均以g/L為單位。橫線(xiàn)后則是字母t，表示地下水的溫度。見(jiàn)下例。2023/12/623地下水的溫度地殼表層有兩個(gè)熱源：太陽(yáng)和地球內(nèi)部的熱流。根據(jù)溫度變化特征，地殼可分為變溫帶、常溫帶和增溫帶。變溫帶處于地殼表層，很薄，不超過(guò)30m，受太陽(yáng)輻射影響，具有晝夜變化和季節(jié)變化。但變化幅度小于氣溫。變溫帶下是一個(gè)厚度很小的常溫帶，地溫一般比