6第六章 地下水化学成分及其形成作用.doc

1、1第六章 地下水的化学成分及其形成作用61 概 述地下水不是化学纯的 H2O，而是一种复杂的溶液。天然：人为：人类活动对地下水化学成分产生影响。地下水的化学成分是地下水与环境、以及人类活动长期相互作用的产物。一个地区地下水的化学面貌，反映了该地区地下水的历史演变。水是最为常见的良好溶剂，可溶解、搬运岩土中的某些组分。水是地球中元素迁移富集的载体。利用地下水，各种行业对水质都有一定的要求 进行水质评价。62 地下水的化学特征1地下水中主要气体成分O2 、N 2 、CO 2 、CH 4 、H 2S 等。1）O 2 、N 2地下水中的 O2 、N 2 主要来源于大气。 地下水中的 O2 含量多 说明

2、地下水处于氧化环境。在较封闭的环境中 O2 耗尽，只留下 N2，通常说明地下水起源于大气，并处于还原环境。2）H 2S 、甲烷（ CH4）地下水中出现 H2S、CH 4 ，其意义恰好与出现 O2 相反，说明 处于还原的地球化学环境。3）CO 2CO2 主要来源于土壤。化石燃料（煤、石油、天然气） CO2（温室气体） 温室效应 全球变暖。地下水中含 CO2 愈多，其溶解碳酸盐岩的能力便愈强。2地下水中主要离子成分 7 大离子：Cl 、SO 42、HCO 3、Na 、K 、Ca 2、Mg 2。低矿化水中（M5g/L ）：Cl 、Na +为主（易溶物质为主）。造成这种现象的主要原因是水中盐类溶解度的

3、不同：）Cl 主要出现在高矿化水中，可达几 g/L 100g/L 以上。来源： 来自沉积岩氯化物的溶解； 来自岩浆岩中含氯矿物的风化溶解； 来自海水； 来自火山喷发物的溶滤； 人为污染：工业、生活污水及粪便中含有大量 Cl，因此居民点附近矿化度不高的地下水中，如 Cl含量超过寻常，则说明很可能已受到污染。特点： Cl 不为植物及细菌所摄取，不被土粒表面所吸附，氯盐溶解度大，不易沉淀析出，是地下水中最稳定的离子； Cl 含量随着矿化度增长而不断增加，Cl 的含量常可用来说明地下水的矿化程度。2）SO 42中等矿化的地下水中，SO 42为主要阴离子。来源： 含石膏（CaSO 42H2O）或其它硫酸

4、盐的沉积岩的溶解； 硫化物的氧化：2FeS2+7O2+2H2O2FeSO 4+4H+2SO42（黄铁矿） 注意： 由于煤系地层（CP）常含有很多黄铁矿（硫铁矿），因此流经这类地层的地下水往往以 SO42为主； 金属硫化物矿床附近的地下水中常含有大量的 SO42； 煤的燃烧产生大量 SO2，与大气中的水汽结合形成含硫酸的降雨 酸雨，从而使地下水中 SO42增加； 在我国能源消耗中，煤占 70%以上，我国每年向大气排放的 SO2 已达 1800104t 之多，因此，地下水中 SO42的这一来源不容忽视。）HCO 3低矿化水的主要阴离子。来源： 含碳酸盐的沉积盐（石灰岩、白云岩）与变质岩（大理盐）：

5、CaCO3+H2O+CO22HCO 3+Ca2+MgCO3+H2O+CO22HCO 3+Mg2+碳 酸 盐 溶 解 度矿 化 度小低 HCO3- SO42- Cl-大高硫 酸 盐 氯 盐3 岩浆岩与变质岩地区，HCO 3主要来源于铝硅酸盐矿物的风化溶解。）Na +高矿化水中的主要阳离子。来源： 沉积岩中岩盐及其它钠盐的溶解； 海水； 岩浆岩和变质岩地区含钠矿物的风化溶解； 酸性岩浆岩中大量含钠矿物，在 CO2、H 2O 的参与下，将形成低矿化的以Na+、HCO 3为主的地下水。）K +高矿化水中含量较多。来源与分布特点与 Na+相近： 含钾盐类沉积岩的溶解； 岩浆岩、变质岩中含钾矿物的风化溶解

6、。在地壳中 K 与 Na 的含量相近，但在地下水中 K+的含量比 Na+少得多，这是因为： K +大量地参与形成不溶于水的次生矿物（水云母、蒙脱石、绢云母）； 易为植物所摄取。由于 K+含量少，分析比较费事，所以一般将 K+归并到 Na+中，不另区分。）Ca 2+是低矿化水中的主要阳离子。来源： 碳酸盐类沉积物及含石膏沉积物的溶解； 岩浆岩、变质岩中含钙矿物的风化溶解。）Mg 2+来源及分布与 Ca2+相近： 含镁的碳酸盐类沉积岩（白云盐、泥灰盐）； 岩浆岩、变质岩中含镁矿物的风化溶解。Mg2+在低矿化水中通常含量较 Ca2+少。地下水中各种离子的测定方法，参阅水质分析的有关书籍。3地下水中的

7、其他成分除主要离子（七大离子）外，地下水中还有其他成分：1）次要离子：H +、Fe 2+、Fe 3+、Mn 2+、NH 4+、OH 、NO 2、NO 3、CO 32、 SiO32、PO 43等；2）微量组分（元素）：Br、I、F 、B 、Sr 等；3）胶体成分：Fe(OH) 3、Al(OH) 3、H 2SiO3 等；4）有机体；5）微生物：如氧化环境中存在：硫细菌、铁细菌；还原环境中存在：脱硫酸细菌；在污水中：各种致病细菌。4地下水的总矿化度及化学成分表示式总矿化度（总溶解固体）地下水中所含各种离子、分子与化合物的总量称为总矿化度（总溶解固体）。单位：g/L。矿化度 Mdegree of mi

8、neralization；总溶解固体 TDStotal dissolved solid。4测定： 一般以 105 110C 时将水蒸干所得的干涸残余物总量来表示矿化度（M）； 将分析所得阴阳离子含量相加，相加时 HCO3只取重量的一半，因为在蒸干时，有近一半的 HCO3分解为 CO2、H 2O 而逸失。总硬度水中所含钙离子和镁离子的总量。地下水水化学成分表示 库尔洛夫式：将阴阳离子分别标示在横线上。按毫克当量百分数自大到小顺序排列。小于 10%的离子不予表示：横线前依次表示气体成分、特殊成分及矿化度(M)，三者单位均为 g/L，横线后以字母t 为代号表示以摄氏计的水温。如： 528.76.14

9、32.301.2.307.2 tCaNSOlMSHiO63 地下水的温度地壳表层可分为 3 个带：1）变温带：受太阳辐射影响，地温随昼夜与季节变化；2）常温带：地温接近常数，一般比当地年平均气温高2；3）增温带：受地球内部热流的影响，随深度加大地温升高。地温梯度（）是指每增加单位深度时，地温的增值。单位：/100m。地温梯度的平均值为 3/100m ，一般 1.5 4/100m 。地下水的温度受地温控制：1）变温带地下水：水温有较小的季节性变化；2）常温带地下水：水温与当地平均气温接近；3）增温带地下水：随地温梯度的增加而增加，甚至成为热水。两个公式： 利用地温梯度（），概略计算某一深度的地下

10、水水温（ T）：T=t+( h) 式中：t年平均气温；H地下水埋深；h常温带深度。 利用地下水温（T），推算其大致循环深度（H ）：阴离子阳离子（毫克当量%：大 小排列）1) 太阳辐射；2) 地球内部的热流。地壳表层有 2 个热源变 温 带增 温 带常 温 带5htTH64 地下水化学成分的形成作用地下水主要来源于大气降水，大气降水的矿化度一般为 0.020.05g/L，进入含水层后，水与岩土作用，矿化度升高，化学成分发生变化。1溶滤作用溶滤作用在水与岩土相互作用下，岩土中一部分物质转入地下水中。溶滤作用的结果：岩土失去一部分可溶物质；地下水则补充了新的组分。影响溶滤作用的因素：1）岩土中矿物

11、盐类的溶解度：首先：NaCl 迅速转入水中，SiO 2 很难溶于水中。2）岩土的空隙：空隙发育，溶滤作用强，否则弱。3）水的矿化度：低矿化水溶解能力强，而高矿化水溶解能力弱。4）水中 CO2、O 2 等气体成分：水中 CO2 含量愈高，溶解碳酸盐及硅酸盐的能力愈强。水中 O2 含量愈高，溶解硫化物的能力愈强。5）水的流动状况：停滞的地下水，最终将失去溶解能力；流动的地下水，经常保持强的溶解能力。地下水的径流与交替强度是决定溶滤作用强度的最活跃、最关键的因素。随着溶滤作用的进行：在时间上：一个地区经受溶滤作用愈强烈，时间愈长，地下水的矿化度愈低，愈是以难溶离子为其主要成分。在空间上：气候愈是潮湿

12、多雨，地质构造的开启性愈好，岩层的导水能力愈强，地形切割愈强烈，地下水的径流与交替愈迅速，地下水的矿化度愈低，难溶离子的相对含量也就愈高。浓缩作用主要发生在干旱半干旱地区的平原与盆地的低洼处。当地下水位埋藏较浅时，蒸发强烈，蒸发成为地下水的主要排泄去路。氯 化 物 (转 入 水 中 ) 硫 酸 盐被 水 带 走 被 水 带 走主 要 化 学 组 分 主 要 化 学 组 分 (难 溶 )碳 酸 盐 及 硅 酸 盐1）水分排走；2）盐分保留下来。蒸发作用 6随着时间的增加，地下水溶液逐渐浓缩，M 增大。随着矿化度的上升，溶解度较小的盐类在水中相继达到饱和而沉淀析出，易溶盐类（如 NaCl）的离子逐

13、渐成为水中主要成分。产生浓缩作用的条件：1）气候：干旱半干旱；2）地势：低平；3）地下水位：埋藏浅；4）排泄区（从别处带来的盐分在排泄区集聚）。脱碳酸作用CO2 的溶解度随温度升高或压力降低而减小，一部分 CO2 便成为游离 CO2 从水中逸出，这便是脱碳酸作用。Ca2+2HCO3 CO2+H2O+CaCO3Mg2+2HCO3 CO2+H2O+MgCO3结果： 地下水中 HCO3、Ca 2、Mg 2减少； 矿化度降低。脱硫酸作用在还原环境中，当有有机质存在时，脱硫酸细菌使 SO42还原为 H2S脱硫酸作用。SO42+2C+2H2O H2S+2HCO3结果： 水中 SO42减少以至消失； HCO

14、 3增加，pH 值变大。如：封闭的地质构造是产生脱硫酸作用的有利环境。阳离子交替吸附作用岩土颗粒表面带有负电荷，能够吸附阳离子。一定条件下，颗粒将吸附地下水中某些阳离子，而将其原来吸附的部分阳离子转为地下水中的组分，这便是阳离子交替吸附作用。（离子在岩土与水之间交替）不同阳离子吸附能力的大小：H Fe3 Al3+ Ca2 Mg2 K Na 离子价愈高，离子半径愈大，则吸附能力也愈大，H 例外； 地下水中某种离子的相对浓度愈大，交替吸附作用也就愈强； 颗粒愈细，比表面积愈大，交替吸附作用也就愈强； 粘土及粘土岩类最容易发生交替吸附作用。混合作用混合作用成分不同的两种水汇合在一起，形成化学成分与原

15、来两者都不相同的地下水这便是混合作用。混合作用： 可能发生化学反应 形成化学类型完全不同的地下水； 不发生明显的化学反应 取决于参与混合的两种水的化学成分。人类活动在地下水化学成分形成中的作用1）污染地下水：工业三废：废气、废水、废渣，以及农业上大量使用的化肥、农药等，使地下水中含有原来含量很低的有害元素。2）改变地下水的形成条件，水质发生变化：7过量开采地下水引起海水入侵，不合理灌溉引起次生盐渍化，使浅层水变咸等；引淡补咸使地下水淡化。65 地下水化学成分的基本成因类型不同领域的学者，目前得出一致的结论：地球上的水圈是原始地壳生成后，氢与氧从地球内部层圈逸出而形成的。因此，地下水起源于地球深

16、部层圈。从形成地下水化学成分的基本成因出发，将地下水分为三个主要成因类型：溶滤水、沉积水和内生水。1溶滤水富含 CO2 与 O2 的渗入成因的地下水，溶滤它所流经的岩土而获得其主要化学成分，这种水称之为溶滤水。（地下水的化学成分主要由溶滤作用形成）1）影响因素：岩性、气候、地形地貌：岩性： 石灰岩、白云岩：HCO 3Ca、 HCO3CaMg 型水； 含石膏的沉积岩区：SO 4Ca 型水； 酸性岩浆岩区：HCO 3Na 型水； 煤系地层、金属硫化物矿床分布区： SO4 型水。气候： 潮湿气候区：易溶组分溶滤带走，最终以难溶组分为主，形成低矿化的重碳酸型水 ； 干旱气候下平原、盆地排泄区：由于盐分

17、不断带来，水分蒸发，盐分积累，最终形成高矿化的氯化物水。地形地貌： 切割强烈的山区：径流强，水交替快，形成低矿化的以难溶离子为主的水； 地势低平的平原、盆地：径流微弱，水交替缓慢，形成高矿化的，以易溶离子为主的水。2）地下水的水平与垂直分带：干旱地区的山前倾斜平原、盆地（平面上）：低 MHCO3 型水 中 MSO4 型水高 MCl 型水补给区径流区 排泄区8从上到下（垂向上）：3）构造： 开启性好：低 M，HCO 3 型水； 封闭：高 M，Cl 型水。绝大部分地下水属于溶滤水（不论承压水、潜水）。2沉积水沉积水是指与沉积物大体同时生成的古地下水。例子：海相淤泥沉积水 海水：化学成分：平均矿化度

18、 M：35g/L ，1879035gNaCl（ 当量，当量比），.l（重量比）。3.29BrC 海相淤泥沉积水：a. 矿化度很高，最高可达 300g/L（浓缩作用）；b. SO42减少（脱硫酸作用）；c. Ca2+相对含量增大，Na +相对含量减少， （阳离子交替吸附）；85.0ClNad. 富集 Br、I， 变小；BrCle. 出现 H2S、 CH4 等；f. pH 值增高。3内生水内生水指来自地球深部层圈的水。内生水的研究至今还很不成熟。低 MHCO3 型水中 MSO4 型水高 MCl 型水补给区 径流区 排泄区低 MHCO3 型水中 MSO4 型水高 MCl 型水966 地下水化学成分的

19、分析内容与分类图示地下水化学成分的分析是研究地下水化学成分及其形成作用的基础。工作目的与要求不同，分析项目与精度也不同。1 分析内容在水文地质中分为：简分析、全分析、专门分析。1）简分析目的：了解区域地下水化学成分的概貌。特点；分析项目少，精度要求低，简便快速，成本不高，技术上容易掌握。分析项目： 物理性质：温度、颜色、透明度、嗅味、味道等； 定量分析：HCO 3、SO 42、Cl 、Ca 2、Mg 2，总硬度、p值； 通过计算求得：其它主要离子：K +Na、总矿化度； 定性分析：NO 3、NO 2、 NH4+、Fe 2+、Fe 3+、H 2S、耗氧量等。方法： 可在野外利用专门水质分析箱进行

20、； 取水样送实验室分析。2）全分析目的：全面地了解地下水的化学成分。通常在简分析的基础上选择有代表性的水样进行全分析。特点：分析项目较多，要求精度高。定量分析：HCO3、 SO42、Cl 、 CO32、NO 2、 NO3、 Ca2、Mg 2、K 、Na 、 NH4+、Fe 2+、Fe 3+、H 2S、CO 2、耗氧量、pH 值、干涸残余物 TDS。同时分析地表水。因为：大气降水：为地下水主要补给来源，因所含物质数量很少，一般不考虑。有关浓度的概念： 当量浓度： 元 素 的 化 合 价元 素 的 原 子 量当 量元 素 的 )(mgmg当量浓度（N）：指 1L 溶液中所含溶质的克当量数（水分析中

21、常用单位：mgE/L）。地表水 地下水补给排泄分析结果的表示（浓度单位）mg/L；毫克当量/L；毫克当量/L（%）；mmol/L；mmol/L（%）。阴、阳离子分别求%10用下式表示：（一般为 1L 水）)(LVmgNg溶 液 体 积溶 质当 量 数当 量 浓 度 其中： （1L 水）当 量溶 质溶 质 质 量当 量 数 ( %10%当 量 数 总 和所 有 阳 离 子 当 量 数该 离 子）当 量 数 （某 阳 离 子 的 mgg当 量 数 总 和所 有 阴 离 子 当 量 数该 离 子）当 量 数 （某 阴 离 子 m 体积摩尔浓度摩尔质量：某原子的摩尔质量等于用 g/mol 表示的，而在

22、数值上和某元素原子量相同的质量。（水分析中常用单位：mg/mmol）.体积摩尔浓度（M）：指 1L 溶液中所含溶质的摩尔数（n）(水分析中常用单位：mmol/L)。用下式表示：（一般为 1L 水）)(LVmol溶 液 体 积溶 质 摩 尔 数摩 尔 浓 度 其中： （1L 水）)(gll质 量溶 质 的溶 质 质 量溶 质 摩 尔 数 %10)(%化 合 价数每 个 阳 离 子 化 合 价数该 离 子 的）（某 阳 离 子 molmol )(化 合 价数每 个 阴 离 子 化 合 价数该 离 子 的）（某 阴 离 子 ll上式某离子的（mmol）%与前面式子中的某离子的（mgE）%在数值上是相

23、等的。2 地下水化学分类与图示方法（按地下水化学成分分类）1）舒卡列夫分类前苏联学者舒卡列夫，根据地下水中六种主要离子（K 合并于 Na中）及矿化度划分。 根据离子含量对含量大于 25%毫克当量的阴离子、阳离子进行组合 ，共分成 49 型水，每型以一个阿拉伯数字为代表（P62，表 6-2）。 按矿化度又分为组：A 组：M40g/L。由表 P62，62，从左上角 右下角，矿化度由小 大。11如：1A 型水，即矿化度49g/L），为高矿化的 ClNa 型水。实际工作中用数字表示水型不方便，而是将阴离子放在前，阳离子放在后（离子含量25%毫克当量的参加命名，且书写时省略离子符号），中间用横线连接，阴

24、、阳离子中有两个以上毫克当量百分数25时，则含量大的在前，小的在后，中间用横线连接。如：HCO3SO4CaMg 型水。特点：简明易懂，在我国广泛应用。缺点： 以离子含量25毫克当量作为划分水型的依据，有人为性； 反映水质变化不够细致（25%不考虑）。2）Piper 三线图解Piper 三线图解由两个三角形和一个菱形组成（P62，图），左下角三角形的三条边分别代表阳离子 K+Na+、Ca 2、Mg 2的毫克当量%；右下角三角形三条边分别表示阴离子 HCO3、SO 42、Cl 的毫克当量 %；菱形表示阴、阳离子组合的相对含量（毫克当量%）。三角形刻度增加的方向：阳离子按顺时针方向增加（Ca 2、M

25、g 2、 K+Na+）；阴离子按逆时针方向增加（Cl 、SO 42、HCO 3）矿化度的大小用圆圈大小表示：圆圈大，M 大；圆圈小，M 小。一般情况下，在实际工作中仅使用菱形表示地下水化学成分中阴、阳离子组合的相对含量。其中一对平行边为阳离子的组合；另一对平行边为阴离子的组合。刻度增加的方向：向上（Ca 2Mg 2，SO 42Cl ）或向下（K +Na ，HCO 3CO 32）。SO4 刻度线Cl 刻度线HCO3 刻度线Mg 刻度线Ca 刻度线Na + K 刻度线12优点： 不受人的影响； 可以分析地下水化学成分的演变规律。思考题1. 总溶解固体？2. 地温梯度?3. 溶滤作用？4. 浓缩作用

26、？5. 脱碳酸作用？6. 脱硫酸作用？7. 阳离子交替吸附作用？8. 混合作用？9. 溶滤水？10. 沉积水？11. 内生水？12. 总硬度？13. 地下水中含有各种 、 、 、 以及微生物等。14. 地下水中常见的气体成分有 、 、 、 及 等。15. 地下水中分布最广、含量较高的阴离子有 、 及 等。16. 地下水中分布最广、含量较高的阳离子有 、 、 及 等。17. 一般情况下，低矿化水中的离子常以 及 、 为主；高矿化水则以及 为主。18. 一般情况下，中等矿化的地下水中，阴离子常以 为主，主要阳离子可以是 ，也可以是 。19. 地下水化学成分的形成作用有 、 、 、脱硫酸作用、阳离子

27、交替吸附作用和混合作用。20. 据地下水化学成分的成因类型，可将地下水分为 、 和。21. 在低矿化水中，阴离子以重碳酸盐为主，阳离子以钙离子、镁离子为主。随着蒸发浓缩，溶解度小的钙、镁的碳酸盐部分析出， 及 逐渐成为主要成分，继续浓缩，水中硫酸盐达到饱和并开始析出，便将形成以 、 为主的高矿化水。22. 当含钙为主的地下水，进入主要吸附有钠离子的岩土时，水中的钙离子便置换岩土所吸附的一部分 ，使地下水中 增多而 减少。23. 地下水的物理性质主要包括： 、 、 、 和 。24. 根据受热源影响的情况，地壳表层可分为变温带、 和 三个带。25. 研究地下水中气体成分的意义？26. 地下水中二氧

28、化碳气体来源？27. 地下水中含有不同的气体成分时，各反映什么样的地球化学环境？28. 地下水中氯离子的主要来源？29. 地下水中氯离子的特点有哪些?30. 地下水中硫酸根离子和重碳酸根离子的来源?31. 地下水中钠离子和钾离子的来源?1332. 为什么地下水中钾离子含量比钠离子含量少的多？33. 地下水中钙离子和镁离子的来源?34. 地下水中的总溶解固体与各离子含量有什么关系?35. 简述利用库尔洛夫式反映水的化学特点的方法?36. 影响溶滤作用强度的因素有哪些?37. 自然界地下水化学成分的形成作用有哪些?38. 为什么高矿化水中以易溶的氯离子和钠离子占优势?39. 产生浓缩作用必须具备哪

29、些条件?40. 为什么粘土及粘土岩类最容易发生交替吸附作用?41. 地下水简分析的项目有哪些?42. 地下水全分析项目有哪些?43. 研究地下水化学成分的意义?44. 氯化物最易溶解于水中，而为什么多数地下水中检出的是难溶的碳酸盐和硅酸盐成分?45. 溶滤水的化学成分受哪些因素影响？如何影响?46. 海相淤泥沉积水与海水有什么不同?47. 叙述地下水化学成分舒卡列夫分类的原则？命名方法及优缺点?48. Piper 三线图解？49. 某地地面标高为 100 米，多年平均气温为 10 度，常温带距地面 20 米，增温带的地温梯度为 4 度/100 米，试计算地面下 2000 米的地温。50. 某一

30、由第四纪沉积物覆盖下的花岗岩中出露的温泉，其库尔洛夫式为：，其补给区地下水的库尔洛夫式为： ，试分析92103845.0.2NaClHOSM128437.0NaCSOHM由补给区到排泄区地下水可能经受的化学成分形成作用。51. 试鉴别下述分析结果应属何种水？水分析结果(单位为毫克升)：K=387，Na =10700，Ca 2=420，Mg 2=1300，Cl =19340，SO 42=2088，HCO 3=150，Br=66(有关元素的原子量为：K=39， Na=23，Ca=40，Mg=243，Cl=36 45，S=32，C=12 ，O=16，Br=799，H=1)。52. 已知一水样 pH=

31、7.5，t=16C ，M=0.36g/L ，其主要离子含量如下表：Na Ca2 Mg2 HCO3 SO42 Clmg/L 55.24 31.00 6.08 250.18 11.53 3.88mgE/LmgE%注：元素的原子量为 Na=23，Ca40，Mg=24，H=1，C=12 ，O=16，S=32，Cl=35；mgE 为毫克当量。（1）写出该水样的库尔洛夫水化学表示式；（2）确定该水样的水化学类型（按舒卡列夫分类） 。53. 请用水文地球化学理论解释下列现象：(1)油田水中含 H2S，NH 4 浓度高，SO 42和 NO3含量很低；(2)某供水井抽出的地下水进入水池后，开始为透明无色，不久出现土红色絮状悬浮物；(3)灰岩地区泉口出现钙华。