5_地下水化學(xué)成分

1、5 地下水的物理性質(zhì)和化學(xué)成分,5.1 地下水的物理性質(zhì) 5.2 地下水的化學(xué)成分和化學(xué)性質(zhì) 5.3 地下水按化學(xué)成分的分類,5 地下水的物理性質(zhì)和化學(xué)成分,地下水不是純的H2O，而是天然溶液，含有各種組分具有一定的物理性質(zhì)和化學(xué)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。 意義：水質(zhì)評價，水文地球化學(xué)找礦；地震預(yù)報等 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,5.1 地下水的物理性質(zhì),溫度 顏色 味（味道） 嗅（氣味） 透明度 相對密度、導(dǎo)電性及放射性,溫度,地溫影響地溫的熱源：太陽

2、輻射和地?zé)?具有周期性的晝夜變化和年變化 地溫可分三個帶： 變溫帶：位于地殼的最表層，其溫度變化受太陽輻射熱的控制。其溫度的變化幅度隨深度的增加而遞減。此帶由于受太陽輻射的控制，地下水的溫度具有周期性的日變化和季節(jié)變化的特點(diǎn)。 常溫帶：指地溫的年變化幅度1的地帶。一般年常溫帶的溫度略高于當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?，在相?dāng)于海平面的地區(qū)約高0.8，在海拔200500m的地區(qū)約高12。年常溫帶實(shí)質(zhì)上是太陽輻射熱與地球內(nèi)熱共同影響的熱平均帶。此帶地下水的溫度表現(xiàn)為周期性年變化的特點(diǎn)。,增溫帶： 在年常溫帶以下，溫度主要受地球內(nèi)熱的影響，隨深度的增加而有規(guī)律的升高。 地?zé)嵩鰷丶墸簻囟让可?所需增加的深度 33m

3、/ THH深度處地下水的溫度， TB年常溫帶溫度， H地下水循環(huán)深度，m h年常溫帶深度，m G地?zé)嵩鰷丶?，m/ ,地下水的溫度對地下水的化學(xué)成分有很大影響。 地下水按溫度的分類,顏色,水中存在物質(zhì)與水的顏色關(guān)系 顏色一般用標(biāo)準(zhǔn)顏色的溶液或有色玻璃片來對比,味（味道）,取決于水中溶解的鹽類和有機(jī)質(zhì) 水中物質(zhì)與味的關(guān)系,嗅（氣味）,取決于水中所含的氣體成分和有機(jī)質(zhì)的含量 氣味強(qiáng)度等級分類 0 無 沒有任何氣味 I 極微弱 有經(jīng)驗(yàn)分析者能察覺 II 弱 注意辨別時，一般人能察覺 III 顯著 易察覺，不處理不能飲用 IV 強(qiáng) 氣味引人注意，不能飲用 V 極強(qiáng) 氣味強(qiáng)烈撲鼻，不能飲用,透明度,地下水

4、通常透明、無色，當(dāng)水中含有某種離子、膠體、有機(jī)質(zhì)或懸浮物質(zhì)時，透明度將降低。 地下水透明度的野外鑒定特征,地下水的相對密度、導(dǎo)電性及放射性,相對密度：取決于水中所含鹽分的多少。當(dāng)?shù)叵滤腥芙獾柠}分較少時，比重近于1。當(dāng)水中溶解了較多的鹽分時，比重可達(dá)1.21.3。 導(dǎo)電性：地下水的導(dǎo)電性取決于其中所含電解質(zhì)的數(shù)量與性質(zhì)（即各種離子的含量與離子價），離子含量越多，離子價越高，則水的導(dǎo)電性就越強(qiáng)。 放射性：取決于其中放射性物質(zhì)的含量，地下水不同程度上或多或少地都具有放射性，但其含量一般極微，循環(huán)于放射性礦床的地下水其放射性相應(yīng)增強(qiáng)。,5.2 地下水的化學(xué)成分和化學(xué)性質(zhì),地下水的化學(xué)成分是很復(fù)雜的。

5、不同成因的地下水，它的原始成分不相同，另外同一種成因的地下水，也由于后期循環(huán)過程中與周圍介質(zhì)相互作用，導(dǎo)致它的化學(xué)成分發(fā)生很多變化。 化學(xué)成分：氣體、離子、微量元素、其他（膠體、有機(jī)質(zhì)、細(xì)菌）,5.2.1 氣體成分,1、氧、氮 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（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，油田水,5.2.1 氣體

6、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 ；與酸性礦水反應(yīng)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)！,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 還原環(huán)境 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,5.2.1 氣體成分研究意義,5.2.2 主要離子成分,地下水中主要離子有：

7、陰離子： Cl- 、 SO2-4、HCO-3 陽離子： Na+ 、K+、 Ca2+、Mg2+,5.2.3 地下水中的主要微量元素,微量元素對人體健康有明顯的影響 溴、碘、氟、硼,5.2.4 地下水中的其他成分,有機(jī)質(zhì)：生物遺體的分解、土壤、天然氣的溶解等 細(xì)菌：病原菌：污染 非病原菌：脫硫細(xì)菌、硫磺細(xì)菌等，通過生物 化學(xué)作用影響地下水的化學(xué)成分,膠體,5.2.4 地下水的主要化學(xué)性質(zhì),酸堿性：取決于水中H+的濃度，PH表示 當(dāng)PH8時， HCO3-隨PH增大減少， CO32-含量增高。 硬度：由于含有Mg2+、Ca2+而具有的性質(zhì) 總硬度：水中所含Ca2+ 、 Mg2+總量 暫時硬度：將水加熱

8、至沸騰，水中部分Ca2+ 、 Mg2+ 將與HCO3-作用生成沉淀，使水中Ca2+ 、 Mg2+減少，減少的這部分Ca2+ 、 Mg2+含量稱為暫時硬度 永久硬度：水沸騰以后仍留在水中的Ca2+ 、 Mg2+ （=總硬度暫時硬度） 碳酸鹽硬度：水中與重碳酸根離子相對應(yīng)的Ca2+ 、 Mg2+ 、離子的含量。一般大于暫時硬度,硬度表示方法： 每升水中鈣、鎂離子的毫克當(dāng)量數(shù)。 德國度：每一度即相當(dāng)于每升水中含有10mgCaO 。 礦化度：地下水中離子、分子和各種化合物的總量。表示含鹽量的大?。╣/L） 地下水的礦化度與化學(xué)成分有關(guān)，低礦化水常以HCO3-和Ca2+為主要成分；高礦化水常以Cl- 、

9、 Na+為主要成分 分類：低礦化水、弱礦化水、中等礦化水、高礦化水、鹵水,5.2.5 地下水化學(xué)成分的形成作用,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 陽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,一、 溶濾作用,1.定義： 在水與巖土相互作用下，巖土中一部分物質(zhì)轉(zhuǎn)入地下水中的過程。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。 CaCO3 + H2O + CO2 2HCO-3 + Ca2+ (固) (

10、水) (氣) 2.影響因素-（水巖作用）?,一、 溶濾作用影響因素,巖土- 化學(xué)組分（可溶性）（如：石灰?guī)r HCO3-Ca水、花崗巖HCO3-Na水) 空隙特征 水- 水的溶解能力（礦化度，O2、CO2氣體組分） 水的流動性（關(guān)鍵） 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，水中礦化度增大，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？,地下水是如何保持它的溶解能力的？,地下水的流動（交替）性： 地下水的徑流速度和

11、交替強(qiáng)度 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，低礦化度水不斷更新溶解能力已降低的水 思考： 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？,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，HCO3Ca水 或 HCO3Ca Mg 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

12、入中隨水帶走，貧SO42-鹽類，長期持續(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： 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 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！,一、 溶濾作用結(jié)果,二、 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)成分變化的過程。 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

13、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,濃縮作用（過程）理想模式,1.0L水 350mg/L 蒸發(fā)（1） 0.5L 700mg/L 蒸發(fā)（2） 0.25L 1400mg/L 蒸發(fā)（3） 0.125L 2800mg/L,5.3.1 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-

14、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。 五、陽離子吸附交替作用 某種陽離子，某另一種陽離子增高 六、混合作用結(jié)果不一定！ 七、人為活動的作用（影響）,陽離子吸附交替作用,定義：當(dāng)?shù)叵滤谕寥篮蛶r石空隙中循環(huán)運(yùn)動時，水中的離子與巖土表面吸附的陽離子之間就經(jīng)常發(fā)生互相置換，從而引起地下水成分及礦化度的變化，這種作用稱為陽離子交替吸附作用。 離子被吸附能力的強(qiáng)弱：一般離子

15、價越高，電荷越多，就越容易被吸附。離子被吸附能力強(qiáng)弱： H+Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+Na+ （H+是個例外） 地下水中離子濃度有關(guān)，某種離子的相對濃度增大，則該種離子的交替吸附能也隨之增大 巖土對離子吸附能力的強(qiáng)弱：與它顆粒的比表面積相對應(yīng)，顆粒越小，比表面積越大，吸附能力就越強(qiáng)，交替吸附作用的規(guī)模也就越大 因此，粘土及粘土巖類最容易發(fā)生交替吸附作用，而在致密的結(jié)晶巖中，實(shí)際上不發(fā)生這種作用。,5.2.6 地下水化學(xué)成分的成因類型,溶濾水（滲入水） 富含CO2與O2的滲入成因的地下水，溶慮它所流經(jīng)的巖土而獲得其主要化學(xué)成分，稱為溶慮水。 大氣水、地表水或凝結(jié)水滲入地下形成。 沉積水

16、 與沉積物大體同時生成的古地下水。 沉積巖形成過程中形成或進(jìn)入巖石中的水。 內(nèi)生水 包括初生水：含在熔融巖漿中的水； 再生水：地殼深部高溫高壓條件下巖石所含結(jié)合水和礦物水轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)或氣態(tài)水,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）。,5.2.7 地下水化學(xué)成分的分析內(nèi)容與表示方法,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)行專項分析。 簡分析

17、：除物理性質(zhì)（色、嗅、味、溫度、透明度、懸浮物等） 主要定量分析： Cl-、 SO42-、 HCO-3、Ca2+、 Mg2+、 Na+、 K+、總硬度、pH, 及 礦化度 有時含專項分析： NO-3，NO-2 ，NH4 + ，F(xiàn)e2+ 、Fe3+，H2S，耗氧量等,5.2.7 地下水化學(xué)成分的分析內(nèi)容與表示方法,一、地下水化學(xué)成分的分析內(nèi)容 全分析項目較多，要求精度高，通常在簡分析的基礎(chǔ)上選擇代表性水樣進(jìn)行全分析 一般定量分析：HCO-3,SO42-,Cl-，CO32-， NO-2 ， NO-3， Ca2+, Mg2+, Na+， K+, NH4+，F(xiàn)e2+， Fe3+，H2S， CO2，耗氧

18、量，pH,總硬度，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析水的侵蝕性CO2。,5.2.7 地下水化學(xué)成分的分析內(nèi)容與表示方法,二、地下水化學(xué)成分的表示方法 離子表示法 離子毫克數(shù)：每升水中所含離子的毫克數(shù)（mg/L） 離子毫克當(dāng)量數(shù) 每升水中含某種離子的毫克當(dāng)量數(shù)可由下式計算： 陰離子當(dāng)量總數(shù)=陽離子當(dāng)量總數(shù)（允許誤差2%-5%）,5.2.7 地下水化學(xué)成分的分析內(nèi)容與表示方法,離子毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù) 摩爾表示法（不常用） 摩爾是表示物質(zhì)質(zhì)量單位，數(shù)值上等于該原子的原子量，如H+為1，Ca2+為40。 摩爾濃度：以每升水溶液中含某種離子的摩爾數(shù)表示,庫爾洛夫表示法 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%） 分式后：水溫（oC) 、PH值等 特點(diǎn)是直觀、表示簡