5第五章地下水化

1、第五章 地下水的化學成分及其形成作用,本章內容： 地下水的化學成分 地下水的主要物理、化學性質 地下水化學成分的形成作用 地下水化學成分的基本成因類型 地下水化學成分的分析內容、資料整理與分類圖示 地下水的水質評價,概 述,地下水成分復雜 來源（補給成分復雜） 下滲過程中與周圍巖土產生溶濾作用（巖土成分復雜） 研究地下水化學成分的意義： 闡明地下水的起源、形成與分布規(guī)律； 闡明成礦機制，完善與豐富找礦理論 ； 地下水質量評價。,研究學科 水文地球化學：研究地下水中化學元素遷移、集聚和分布規(guī)律的科學。 研究重點：地下水水質變化。 研究地下水化學成分應注意的問題： 離不開地下水動力學的研究 要從與

2、周圍環(huán)境長期作用的觀點出發(fā),第1節(jié) 地下水的化學成分,組成地殼的87種主要元素，地下水中已發(fā)現70余種。分別以氣體、離子、膠體物質、有機質以及微生物等形式存在于地下水中。 一、主要的氣體成分 常見的有O2、 N2、CO2、CH4 及 H2S 氧（O2）、氮（N2） 來源： O2 主要來源于大氣； N2 三個來源：大氣、生物成因、變質成因。,氧（O2）、氮（N2） 來源： O2 主要來源于大氣； N2 三個來源：大氣、生物成因、變質成因。,二氧化碳（CO2） 來源： 大氣：但含量較低，工業(yè)化城區(qū)含量高 生物：土壤有機質殘骸的發(fā)酵作用與植物的呼吸作用 變質成因：地球深部高溫高壓下變質生成 人為CO

3、2 ：工業(yè)發(fā)展造成（溫室效應） 作用: 地下水中CO2越多，其溶解碳酸鹽巖和對結晶巖進行風化作用的能力越強。,硫化氫（H2S）、甲烷（CH4） H2S來源： 硫酸鹽還原： 硫化礦物分解： 火山噴發(fā)。 H2S和CH4的存在表明還原環(huán)境 。 H2S一般出現在深層地下水中，油田水中含量很高，常以此作為尋找石油的間接標志。,二、主要離子成分 主要離子成分七種：,形成以上主要離子成分的原因：, 地殼中含量較高，且易溶于水的；, 地殼中含量不高，但極易溶于水的； 地殼中含量很高，但難溶于水的，地下水中含量不高,主要離子成分與礦化度之間的對應關系：, 低礦化度： HCO3-、 Ca2+、Mg2+, 中礦化度

4、： SO42-、 Na+、 Ca2+, 高礦化度： Cl-、 Na+,溶解度：氯鹽 硫酸鹽 碳酸鹽； Ca2+、 Na+ Ca2+、Mg2+,1、氯離子( ) （1）特點： 地下水中分布最廣的離子，每升水中由數毫克至數百克不等。 在高礦化度水中， 常占優(yōu)勢。 不被植物吸收、不被土壤顆粒吸附、不易沉淀，最穩(wěn)定，是水中含鹽量多寡的標志。,（2）來源：,A、含巖鹽的沉積巖或氯化物溶解；,B、含氯化物的巖漿巖風化溶解,C、海水補給；,D、火山噴發(fā)物的溶濾產物；,E、人為污染,2、硫酸根離子,在地下水陰離子總含量中僅次于 。 其含量變化范圍由小于1毫克至數克不等。 中等礦化度的水中含量高。,（2）來源：

5、,A、主要為石膏及其它含硫酸鹽的沉積物。 B、天然硫和硫化物礦物的氧化作用也可以給地下水帶來SO42-， 如： 2S十3O2十2H2O 4H+十2SO42-,2FeS2十7O2十2H2O 2FeSO4十4H+十2SO42-,C、煤系地層（含黃鐵礦）,D、化石燃料，產生大量SO2，形成“酸雨”滲入地下。,（1）特點：,3、重碳酸根離子,（1）特點：,地下水中含量一般不超過1gL，因為 主要來源于碳酸鹽類 巖石，而它的溶解度很小，只有當地下水中存在CO2時才較易溶于 水。通常以 為主要成分的地下水含鹽量都不高，是淡水的特征。,（2）來源：,A、在水中有一定量的CO2存在時，碳酸鹽溶解。,CaO3+

6、H2O+CO2 2HCO3-+Ca2,MgO3+H2O+CO2 2HCO3-+Mg2,B、鋁硅酸鹽風化溶解。 Na2Al2Si6O16十3H2O十2CO2 2HCO3-H4A12Si2O9十2CO3-十4SiO22Na+,CaO2Al2O34SiO2+2CO2 +5H2O 2HCO3-+Ca2+2H4Al2Si2O3,4、 鈉離子(Na+),地下水中分布最廣泛的陽離子，其含量可由每升數毫克至數十克 甚至一百克以上。是高礦化度水中主要陽離子。,（1）特點：,（2）來源：,A、地下水溶解巖鹽及其它的鈉鹽；,B、海水或古海水的殘余；,C、火成巖與變質巖中某些含鈉礦物的風化溶解。,2NaAlSi3O8

7、十2H2O十CO2 4H4A12Si2O9十Na2CO3十4SiO2,Na2CO3十H2O 2Na十HCO3-十OH-,所以，在酸性火山巖地區(qū)可以形成HCO3-Na+型水。,5、鉀離子(K+),（1）特點：,鉀離子(K+)的來源與Na+相似。在低礦化度中甚微， 而在高礦化度中多。,雖然地殼中鉀的含量高，且鉀鹽的溶解度也很大，但是因為 K+容易被粘土吸附，被植物吸收，同時參與形成難溶于水的 次生礦物，所以在地下水中含量不如Na+大。,由于K+、 Na+性質相近， K+含量低，在地下水分析中， 兩者合并計算。,（2）來源：,A、鉀鹽沉積巖的溶解；,B、巖漿巖、變質巖的鉀巖礦物風化溶解。,6、鈣離子

8、(Ca2+),（1）特點：,Ca2+在地下水中分布廣，一般含量低。很少超過lg/L。 因為Ca2+主要來源于地下水溶解碳酸鹽類巖石，而這類巖石的溶解度很低。 Ca2+的隨著含鹽量的增高， 相對含量很快減少。 由于CaCl2 的溶解度相當大，所以礦化度格外高時， Ca2+可以是主要陽離子。,（1）特點：,（2）來源：,A、碳酸鹽的沉積物，膏鹽沉積物；,B、巖漿巖、變質巖中含鈣礦物的風化溶解。,CaO2Al2O34SiO2+2CO2 +5H2O 2HCO3-+Ca2+2H4Al2Si2O3,7、鎂離子(Mg2+),(1)特點：,地下水中分布廣，含量低，通常不作為地下水的主要離子。 溶解度比Ca2+

9、高，但含量比Ca2+低，這是因為地殼組成中Mg比Ca少、 Mg2+容易被植物吸收、同時參與次生礦物的組成。 在富含鐵鎂礦物的超基性巖石發(fā)育地區(qū)，可以見到含Mg2+高的地下水。,(1)特點：,(2)來源:,A、含鎂的碳酸鹽類沉積巖,B、基性巖漿巖、變質巖中含鎂礦物的風化溶解的風化產物。,三、地下水中的其它成分,1、次要離子：如 H、Fe2+、Fe3+、Mn2+、NH4、OH-、N02-、NO3- 、CO32-、SiO32-及P043-等。,2、微量組分：Br、I、F、B、Sr等。,3、膠體：Fe(OH)3、A1(OH)3，及H2SiO3等。 4、有機質: 常以膠體方式存在于地下水中，常使地下水酸

10、度增加， 并有利于還原作用。 5、微生物：在氧化環(huán)境中存在硫細菌、鐵細菌等；在還原環(huán)境中存 在脫硫酸細菌等；此外，在污染水中，還有各種致病細菌。,第二節(jié) 地下水的主要物理、化學性質,一、主要的物理性質有： 色(color)、嗅(smell)、味(taste)、溫度(temperature)、 透明度(diaphaneity, transparency)、比重(specific weight)、 導電性(conductance)、 放射性(radioactivity),二、主要的化學性質有：,總溶解固體、硬度、酸堿性 。,兩者關系：物理性質往往是化學性質的外在表現。,1. 地下水的顏色,2. 地

11、下水的氣味（嗅）,地下水一般無氣味，若含有H2S氣體，水有臭雞蛋氣味；含 Fe2+的水有鐵銹味即“墨水味”；含腐殖質，有腐草味或淤泥臭味。 水中氣味強弱與水溫有關，常溫時不顯，若將水加熱到 4060時，氣味顯著。,3. 地下水的味道,地下水所含的鹽類及引起味覺的最低含量,注：味道的強弱取決于地下水的溫度，常溫時不顯，若將水加熱到2030時，味道顯著。,4. 地下水的透明度,測量方法：用筒底裝有放水嘴的量筒，量筒高100cm， 直徑3cm，將3mm粗的黑十字線放在量筒底部，注滿水 后，慢慢打開放水嘴，筒內水面緩緩下降，同時觀測黑 十字線，直到能看到黑十字線的清晰圖像為止，記錄量 筒內水柱高度。,

12、按下表（水的透明度分級表）確定水的透明度：,5. 地下水的比重,取決于水中溶解鹽類的數量。溶解的鹽類越多，地下水的比重 越大。一般地下水的比重接近于1。利用地下水的比重特征可 以判別鹽湖中鹽類的沉積層位，便于分層位開采。,6. 導電性,取決于水中溶解的電解質的數量和性質，即取決于各種離子 的含量和離子價。離子含量越多，價數越高，則水的導電性 越強。此外，溫度也影響導電性。,導電性用導電率表示，單位：-1cm-1。導電率為電阻率 的倒數。淡水的電阻率為n10-1 n10-3，咸水的電阻 率比淡水的電阻率小，故可根據電阻率或導電率的不同，確 定濱海地區(qū)咸水和淡水分界面及其分布范圍。,7. 水的 放

13、射性,取決于水中放射性物質的含量，大多數地下水都具有放射性， 但其含量微弱。放射性礦床與酸性火成巖地區(qū)的地下水具有 較高的放射性。利用水中放射性突然增強可以尋找放射性礦藏。,8. 溫度,水交替緩慢時溫度與地溫一致，并取決于太陽輻射熱能、 地球內部熱流。,地殼按熱力狀態(tài)從上而下分為變溫帶、常溫帶和增溫帶。 變溫帶：受太陽輻射熱能影響，呈晝夜變化與季節(jié)變化。晝夜變化 只影響地表以下12m深度。變溫帶的下限為1530m。 常溫帶：是變溫帶以下一個極簿的地帶。地溫一般比當地年平均 氣溫高出12，粗略計算時可視為當地的年平均氣溫。 增溫帶：受地球內部熱流控制。隨深度增加而溫度升高。用地溫梯度或地溫增溫率

14、表示。,地溫梯度（r）：每增加100m深度時地溫的增值（/100m）,增溫帶內某深度（H）地溫（T）的計算：,T = t + (H - h) r,t為年平均氣溫；h為常溫帶深度；r為地溫梯度。,或已知T，推求地下水循環(huán)的深度H：,H = (T-t)/r + h 地溫梯度的平均值為3/100m， 范圍1.54/100m。不同地區(qū)由于巖石的導熱性、 地殼運動和水文地質條件的不同，地溫梯度有所變化。 羊八井300/100m。,9.總溶解固體（TDS）（礦化度）,地下水中所含種離子、分子與化合物的總量。(g/L） （Total Dissolved SolidsTDS）。習慣上以105 110時 將水干

15、所得的涸殘余物總量。,因此： 計算時揮發(fā)性成分不計入；, HCO3-只取重量的半數 。,地下水按TDS的分類表,10.硬 度,概念：水中Ca2+、Mg2+的總含量。（meq/L）,目前新的國標中以CaCO3含量（mg/L）表示。,分類：,總硬度：水中Ca2+、Mg2+的總含量 。 暫時硬度：水煮沸時（脫碳酸作用），因形成碳酸鹽沉淀 而失去的一部分Ca2+、Mg2+含量 。,永久硬度：水煮沸后仍留在水中的Ca2+、Mg2+含量,計算 ：,rCa2+Mg2+ rHCO3-時，,暫時硬度 = rHCO3-,永久硬度 = rCa2+Mg2+- rHCO3-,rCa2+Mg2+ rHCO3-時，,總硬度

16、 = 暫時硬度 = rCa2+Mg2+,永久硬度 = 0,地下水按硬度分類,11.酸堿度,用氫離子濃度即pH值衡量, 即： pH-lg H+ 地下水的pH值小于4時，對金屬有劇烈腐蝕作用， 礦井酸性水強烈腐蝕井下排水設備和管道，并污染環(huán)境。,地下水按酸堿度分類,第二節(jié) 地下水化學成分的形成作用,一、地下水起源化學成分的特點,地下水的化學成分繼承補給源的化學成分。 1、起源于大氣降水或凝結水：補給區(qū)附近為礦化度低淡水， 富含O2、N2、CO2及Ar等氣體。 2、來源地表水: 近河湖區(qū)富含HCO3- 、SO42-；近海岸富含Cl-、Na+ 。,3、近海岸降水: Cl-、Na+含量高。 4、古沉積盆

17、地的地下水: 礦化度很高，主要離子為Cl-、Na+， 并含有較多的Br、I 等微量元素，具有古海水的特征，H2S含量高。,二、地下水化學成分的形成作用,各種不同來源的地下水，在后期循環(huán)過程中，不斷與與周圍的介 質相互作用，化學成分不斷變化，結果與原始的化學成分具有很大的區(qū)別。,作用類型： 溶濾作用、濃縮作用、脫碳酸作用、脫硫酸作用、陽離子交替吸附作用 、混合作用。,（一）、溶濾作用,概念：在水與巖土相互作用下，巖土中一部分物質轉入地下水中的過程。,結果：巖石失去一部分可溶物質，地下水補充了新的組分。,溶濾作用具有時間上的階段性和空間上的差異性。 一個地區(qū)經受的 溶濾作用愈強烈，地下水的礦化度愈

18、低，愈是以難溶離子為主要成分。,溶濾作用的影響因素： 組成巖土的礦物鹽類的溶解度。鹽巖NaCl易溶，Si02難溶解；,巖土的空隙特征。致密基巖，水與礦物難以接觸，難溶濾；,水的溶解能力。低礦化水的強，高礦化水的弱 水中CO2、O2等氣體成分的含量。前者易溶碳酸鹽、硅酸鹽， 后者易溶硫化物；,地下水的徑流與交替強度。最關鍵的因素。,（二）、濃縮作用,概念：地下水受到蒸發(fā)失去水分或流動將溶解物質帶到 排泄區(qū)而使地下水中鹽分濃縮的過程。,條件：, 干旱或半干旱的氣候； 低平地勢控制下較淺的地下水位埋深，有利于毛細 作用的顆粒細小的松散巖土；, 集中排泄的地帶。,特點： 不僅使地下水的礦化度提高，也使

19、水的化學（成分）類型發(fā)生改變。,圖6-1 地下水流與礦化度關系,（三）、脫碳酸作用,概念：水中CO2的溶解度受環(huán)境的溫度和壓力控制。CO2的 溶解度隨溫度升高或壓力降低而減小，一部分CO2便成為 游離CO2從水中逸出，這便是脫碳酸作用。,結果：,地下水中HCO3-及Ca2+、Mg2+減少，礦化度降低 ；,Ca2+ 2HCO3-CO2+ H2O+ CaCO3,Mg2+2HCO3-CO2+ H2O+ MgCO3,應用：深部地下水上升成泉，泉口往往形成鈣華。,（四）、脫硫酸作用,概念：在還原環(huán)境中，當有機質存在時，脫硫酸細菌能 使SO42-還原為H2S，這就是脫硫酸作用 。在巖石含有 有機物質的情況

20、下，碳氫化合物也可使硫酸鹽還原。,SO42-+2C+2 H2OH2S+2HCO3-,結果：,水中SO42-減少以至消失，HCO3-增加，PH值變大。 應用：封閉的地質構造，如儲油構造，是產生脫硫酸作用 的有利環(huán)境。因此，某些油田中出現H2S，而SO42-含量很低。 這一特征可以作為尋找油田的輔助標志。,（五）、陽離子交替吸附作用,概念：一定條件下，顆粒將吸附地下水中的某些陽離子， 而將原來吸附的部分陽離子轉為地下水中的組分，即為 陽離子交替吸附作用。,影響因素：,巖土顆粒的比表面積 ；,陽離子吸附于顆粒表面的能力：,H+Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+Na+,地下水中某種離子的相對濃度:

21、如, 海水入侵陸相，Na+濃度大，可以替代吸附在顆粒表面的Ca2+。,（六）、混合作用,概念： 成分不同的兩種水匯合在一起，形成化學成分與原來 兩者都不相同的地下水，便是混合作用。 應用：在濱海地區(qū)，地下水往往是海水與大氣降水滲入補給 混合作用的產物； 多層含水層結構的地下水，不同層地下水之間的補給 也可發(fā)生混合作用。,CaCl2Na2SO4 CaSO4 +2NaCl 說明：對于不同成分的地下水，混合后是否發(fā)生混合作用， 取決于兩者的化學成分與礦化度。,小結：影響地下水化學成分形成的因素,三大類：, 自然地理因素（氣候、水文、地形、植物） 這些因素的錯綜組合決定著地下水化學成分形成的方向及其分

22、布規(guī)律。,氣候：潮濕地區(qū)降雨量大，地下水礦化度常較低;,干旱的沙漠、半沙漠地區(qū)蒸發(fā)強，礦化度高。 地形：高山地區(qū)地形切割強烈，地下水循環(huán)交替快，礦化度低； 平原地區(qū)地下水流動慢，礦化度高。,水文因素： 反映在地表水與地下水的補排關系上。, 地質因素（巖性、地質構造等）,巖性：可溶成分溶于水，使水中富含這些可溶成分；,難溶成分通過風化溶解進入水中，對地下水成分產生影響。 地質構造： 隆起構造地區(qū)，溶濾作用為主，形成低礦化水；,封閉的向斜構造地區(qū)發(fā)生濃縮作用使礦化度增高, 人為因素,廢棄物污染地下水： 工業(yè)生產的廢氣、廢水與廢渣以及農業(yè)上大量使用化肥農藥， 使天然地下水富集了原來含量很低的有害元素

23、，如酚、氰、 汞、砷、鉻、亞硝酸等。,改變地下水形成條件： 濱海地區(qū)過量開采地下水引起海水入侵，淡含水層變咸。 干旱半干旱地區(qū)不合理地引入地表水灌溉，會使淺層地 下水位上升，引起大面積次生鹽漬化，導致淺層地下 水變咸。, 人為因素,第四節(jié) 地下水化學成分的基本成因類型,從形成地下水化學成分的基本成因出發(fā)，可將地下水分為 三個類型：溶濾水、沉積水和內生水。,一、溶濾水 概念：富含CO2與O2的滲入成因的地下水，溶濾它所流經的 巖土而獲得其主要化學成分，這種水稱之為溶濾水。,影響溶濾水化學成分的因素：,巖性：,含鹽地層沉積區(qū)：地下水富含Cl-、Na+；,石灰?guī)r、白云巖區(qū)：富含HCO3-、Ca2+和

24、Mg2+；,石膏、天青石區(qū)：SO42-、Ca2+、Sr2+；,酸性巖漿巖區(qū)：地下水大都為HCO3Na型水；,基性巖漿巖區(qū)：地下水中常富含Mg2+；,煤系地層區(qū)與金屬礦床區(qū)：酸性較強的硫酸鹽水。 注：并不是地下水流經什么巖土，必定具有何種化學成分， 因為巖土的各種組分其遷移能力各不相同，還受氣候、 地貌等其他因素影響。,氣候,潮濕氣候區(qū)，經長期淋濾作用，易溶鹽類(NaCl、CaSO4) 充分溶濾，最后地下水主要是難以遷移的組分(CaCO3、 MgCO3、SiO2)。因此，在潮濕氣候區(qū)，其淺層地下水 最終很可能都是低礦化重碳酸水，難溶的SiO2在水中占到 相當比重。 干旱氣候區(qū)盆地，水分不斷蒸發(fā)，

25、鹽分不斷積累于淺部， 最終都將形成高礦化的氯化物水。 注：氣候決定大區(qū)域范圍內水質成分的變化；巖性和地形 決定局部區(qū)域水質的變化。,地形：,往往會干擾氣候控制的分帶性：,切割強烈的山區(qū)，局部流動系統(tǒng)發(fā)育，水交替迅速， 即使在干旱地區(qū)也不發(fā)生濃縮作用，從而形成低礦 化的以難溶離子為主的地下水。,地勢低平的平原與盆地，水交替緩慢，地下水礦化度 與含易溶離子均較高。,構造與水動力條件,絕大多數地下水屬于溶濾水，包括潛水和承壓水。 位置較淺或構造開啟性好的含水系統(tǒng)，由于其徑流途徑短， 流動相對較快，溶濾作用發(fā)育，多形成低礦化的重碳酸鹽水。 構造較為封閉的，位置較深的含水系統(tǒng)，則形成礦化度較高， 易溶離

26、子為主的地下水。 同一含水系統(tǒng)的不同部位，由于徑流條件與流程長短不同， 水交替程度不同，從而出現水平的或垂向的水化學分帶。,二、沉積水,概念：指與沉積物大體同時生成的古地下水。,沉積水一般埋藏于封閉的地質構造內，故又稱埋藏水。,分類：同生沉積水和后生沉積水。,同生沉積水：與巖層同時沉積形成，且保留于其中的水。,后生沉積水：成巖以后由于鄰近巖層擠壓而來的水。,海相沉積作用水的化學成分與海水成分基本相似，,海水成分：,存在有機質時，海相沉積作用水化學成分的演化：, M很高，最高可達300g/L；（蒸發(fā)濃縮作用）, SO42-減少乃至消失；（脫硫酸作用）, 鈣的相對含量增大，鈉的相對含量減小， 脫硫

27、酸作用引起HCO3-增加，形成CaCO3，水中Ca2+減少，打破了陽離子 交替吸附平衡；水中Ca2+減少，陽離子交替吸附作用，顆粒表面吸附的 Ca2+進入水中，Na+吸附到顆粒表面， Na+減少。, 溴、碘的含量升高， 變小；（生物遺骸分解） 出現H2S （脫硫酸作用） 、CH4、NH4+ （細胞蛋白質分解）、 N2（去硝化作用）；, pH值增高。（脫硫酸作用）,三、內生水,概念：參與地殼深部地質作用的地下水。 火山噴發(fā)作用、巖漿作用和變質作用等均有水參與， 來自地幔高溫高壓的巖漿直接分異出來的水。,內生水包括：,初生水，即含在熔融巖漿中的水； 再生水，即地殼深部高溫高壓條件下，巖石所含結 合水和礦物水轉變?yōu)橐簯B(tài)或氣態(tài)水。,迄今研究還很不成熟。,第五節(jié) 地下水化學資料整理與分析,一、地下水化學成分的分析 根據研究地下水化學成分目的不同，分析的內容和精度也 不一樣。按照不同的目的和要求，地下水化學成分的分折可 分為三種類型，即：簡分析、全分析和專項分析,1、簡分析,特點：分析項目少，精度要求低，簡便快速，成本不高。,目的：了解區(qū)域水質、水化學的概貌以及水質是否適于飲用 。,分析內容： 物理性質；, 定量分析： 和硬度, 定性分析： 耗氧量等,2、全分析,特點：分析項目較多，但并非分析水中的全部組分，要求精度高。 通常在簡分析的基礎