《第六章 化学成分及其形成作用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第六章 化学成分及其形成作用（30页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第六章 地下水的化学成分及用其形成作用一、概述严格的说，自然界没有化学纯的水，地下水是一种含有多种化学成分的复杂溶液。这是因为地下水赋存并运动在环境介质之中，经常不断的与环境进行着各种各样的物理、化学作用，发生着相应的物理、化学变化，并比较积极的参与邻近地球层圈（大气圈、水圈、生物圈）的水循环，进行着水量与化学成分的交换。之外，人类日益频繁、规模巨大的经济工程活动，常常极其强烈的改变着地下水的物理、化学面貌。总之，地下水与环境长期相互作用之结果，使环境中留下了水的“痕迹”，地下水也被打上环境的“烙印”。如地下水流经热源而获得热量温度升高，相应的环境被冷却；地下水获得某些组分或失去某些物质，都是
2、它们之间相互作用的结果。这些作用随着时间、空间的变化而改变，始终维持着一个岩水盐之间的动态平衡。所以，研究地下水的化学成分及其形成作用时，不能孤立的静止的从纯化学的角度去研究，而必须从地下水与环境的长期作用的角度去研究，才能揭示出地下水化学成分演变的内在原因和规律。在开发利用地下水资源或防治地下水害的工作中，都要研究地下水的化学成分。作为供水水源，不同的行业对水质的要求是不同的，饮用水、灌溉水、矿泉水、冷却水都有其相应的水质标准；工程建筑要求地下水不能对建筑材料有侵蚀性。这些都要求研究水质。水资源评价就包括水的质量和数量两个方面的内容。水量评价是解决水够不够用的问题，水质评价是解决水能不能用的
3、问题。除此以外，根据地下水的化学成分及物理性质，可以判断地下水介质环境情况，因为地下水本身就是环境的产物，它承载者环境的许多信息，如水中出现了某种有害组分，标明环境中此类成分的存在，或具有生成这种组分的环境条件。地下水化学成分及物理性质的研究。对水文地质理论和实践问题都有十分重要的意义，它已经形成了水文地质学的一个成熟的分支 水文地球化学。由于地下水中的化学成分及其形成作用，以及化学元素的迁移都是以地下水作为载体，在不断的运动不断的更新中进行的，所以研究水质必须与地下水运动的研究密切结合。地下水量变化的学科 地下水动力学已经成熟。二、地下水的物理性质主要包括：温度、颜色、透明度、嗅、味、密度、
4、导电性、放射性等。根据这些性质，有时就可以判断水的某些成分及其赋存环境。如：含FeO的水呈浅兰色；F+呈浅绿色；H2S臭鸡蛋味；NaCI咸味；所含离子越多，离子价越高则其导电性越强。大多数地下水无色、无嗅、无味、透明、放射性极低。但水温变化较大。寒带浅层水温度有的低于5C；火山活动带或地壳深部温度可达150以上。一般温带、亚热带浅层地下水温度接近当地平均气温。1. 地温：地壳浅部的热能。地下水在岩石中，地温便可将水获得温度。地温来源有二：一为太阳辐射能；二是地热能。按地壳中温度分布，可划分为：变温带、常温带和增温带。 变温带：下限深度为1530m ，主要受太阳辐射热影响，因而随气温呈昼夜变化、
5、季节变化和多年变化。这种变化随深度增加而变小，变温带下限地温年变化小于0.1C. 常温带：位于变温带之下，下界深度一般为3040m，厚度小，为太阳热与地热影响的平衡带，相对恒温，只比当年平均气温高12C，所以可将当地年平均气温作为常温带的概略温度。常温带 的地温受地表温度变化幅度和岩石的物理性质及水文地质条件的影响。 增温带：位于常温带以下，地温受地球内热影响，且随深度加大有规律增高；温度值取决于当地的低温梯度。地、地温梯度，也称地热增温率，是指从常温带以下，每增加单位深度时地温的增加值（C/100m）。某地地温梯度大小，由于岩石的性质（导热能力）、构造（导热通道）以及水文地质条件（载热流体情
6、况）的不同而差别很大，大致在0.610C/100m之间，一般为3C/100m 。地温梯度的倒数称为地热增温级，即地温增加1C，深度的增加值（m/1C）。地壳的地热增温级平均数为3033m/1C 。2. 地下水温度的推测显然，地下水温度受它赋存环境的制约，所以处在变温带的浅层地下水温度受气温的影响而呈季节性甚至昼夜变化规律，二者变化规律一致。因为变温带主要靠吸收太阳热而显示出温度。但地下水的温度变化幅度要比气温小一些，并且热响应迟钝，时间上滞后，由于不同的物质热学性质不同，对太阳热的响应能力不一样，不同的岩性环境的地下水呈现不同的温度。用下式可求得底下某一深度（H）地下水温度（TH）：TH =
7、t = ( H h ) rt 年平均气温(C)h 常温带深度（m）r 地温梯度（一般3C/100m，也可实测）根据地下水温度，也可用此式粗略推算他的循环深度。在生产上按水的温度高低，将地下水分为：过冷水100C 。三、地下水的化学成分业已知道，地下水是一种良好的溶剂和载体，其中含有不同的离子、分子以及不同的气体，目前所知地下水中含有组成地壳的87种元素中的70多种。所以说，地下水是一种复杂的溶液，其中含有不同的组分。在地下水中含量大的称为大量组分；含量极微的称为微量组分；含量微乎其微的放射性元素属于超微量组分。地下水中含有某种组分的多少，取决于地下水赋存环境中这种元素的丰度和含有这种元素的化合
8、物的溶解度。某元素的丰度是指这种元素在地壳中或赋水介质中的含量某物质的溶解度，其含义是，在给定温度和压力下，达溶解平衡时，溶液中这种物质的总量。它是可溶岩在在水中溶解能力的定量指标。在数值上指一升某盐类的饱和溶液中，所含这种盐类的重量。因此，在研究水中某种组分多少时，要同时考虑它的溶解度和介质中这种组分的丰度。二者辨证相关。如K 、Na、Ca、Mg等在地壳中分布广泛，含量大，所以地下水中也常见，含量也较多，而Si、Fe等虽然在地壳中丰度很大，但它难容于水，即她的化合物溶解度较低，故水中含量并不多。另外，CI等元素，在地壳中含量很少，但由于氯的化合物溶解度大，故在地下水中大量存在。地下水中所含元
9、素的数量、种类的多少，除受控于这种元素的丰度和溶解度外，PH值、温度、氧化还原电位等水文地质环境因素也有重要的影响。1. 主要气体成分（02、N2、CO2、H2S、CH4甲烷） 氧（02）氮（02）：它们在大气中含量为99%，水中较少，一般每升几至几十毫克，但常能很好的反映出地球化学环境。地下水中的02和N2主要来源于大气，它们随同大气降水或地表水补给地下水。由于大气中02和N2含量较大，故以大气降水入渗补给为主的地下水中02和N2的含量也较大。由于氧的地球化学性质远较氮活泼，所以地下水中溶解氧含量越多，说明地下水所处的环境越有利于氧化作用的进行。当地下水中的溶解氧大于3.5mg/l时，表明地
10、下水处于氧化地球环境。由于氧活泼的化学性质而易于耗于氧化，所以地下水中的溶解氧含量随着深度增加而急剧减少。当地下水进入到较封闭的还原环境时，氧由于它活泼的化学性质而耗于氧化，只留下N2了。因此，如果地下水中只有N 2 而无O2存在，就可以认为该地下水起源于大气，并处于还原环境。还有：大气中的惰性气体氩、氪、shan与氮的比例恒定，即:（Ar + Kr + Xe）/ N 2 = 0.0118 若地下水中该比值等于或略高于此值，说明N2 起源于大气，是随同降水入渗地下变为地下水的成分，所以可认为该地下水为大气水转变而来；若小于0.0118，则表明N2 是由生物活动或变质作用而来，地下水便不是大气降
11、水起源了。 CO2地下水中的CO2来源有四：a.生物化学作用（生物的呼吸，有机物残骸的发酵） 浅层地下水中；b.变质作用 （CaCO3温度在400C时生成CaO + CO2） 深层地下水中；c.火山作用d.人类作用地下水中含有CO2越多，它对碳酸盐岩类岩石的溶蚀作用，对结晶岩类岩石的风化作用的能力越强。 CO2 + CaCO3 + H2 O= Ca+ + HCO3 硫化氢（H2S）、甲烷（CH4）还原环境的代表性物质地下水中O2 的含量较高，说明水是大气起源，为氧化环境的产物。而水中出现H2S与CH4 ，正好相反，说明地下水的赋存环境为缺氧的还原环境。H2S是还原环境的代表性物质，其来源于SO
12、42-的还原。含H2S的地下水臭鸡蛋味、臭淤泥味，它是在还原环境中，有机质在微生物作用下，将SO42-还原成H2S的生物化学过程的产物。硫化氢化学性质活泼，为溶解度最大的气体，成为区分还原环境与氧化环境的定量指标和典型依据。 H2S 7 mg/l 还原环境 H2S = 0 氧化环境* 2、地下水中的主要离子成分 7大离子阴离子：Cl-、SO2、HCO3- ； 阳离子：K+、Na+、Ca+、Mg+ 。(亦称6大离子，因为K+ 在地下水中较少，不易检测，且与Na+ 的性质相近，故和称为K+ + Na+ 。)上述7种离子总量通常可占地下水溶解总量的90%以上，它们决定着水的类型，故称作地下水的主要离
13、子成分。多数分类方法都是按主要离子成分的数量大小划分水的类型的。* 为什么水中这7种离子含量较大呢？（主要是丰度和溶解度的问题）a. 构成这些离子的元素在地壳中的含量较大，并且较易于溶于水。如O2、Ca、Mg、Na、K等。b. 在地壳中构成这些离子的元素含量不很大，但极易溶于水。如Cl和以硫酸根形式出现的S 。c.（佐证）有些元素在地壳中含量很大，但它们难溶于水，故在地下水中含量一般不大。 水中所有离子、分子及各种化合物的总量称为总溶解固体，习惯上叫矿化度（M），也可叫含盐总量或总含盐量。* 矿化度不同的地下水中，相应的代表性的主要离子是什么？为什么？M 硫酸盐 碳酸盐。所以在水中析出的顺序是
14、：碳酸盐 硫酸盐 氯盐。在含盐量较低的水溶液浓缩过程中，随着矿化度的增大，溶解度较小的（较难溶的）Ca、Mg碳酸盐首先达到饱和而析出；水的矿化度再继续升高，溶解度大一些的Ca的硫酸盐也饱和析出；最后，在高矿化度的水中，便以溶解度较大的（较易溶的）Cl和Na占优势了。可以想象，矿化度再继续增高，NaCl也就析出了（晒盐）。由于氯化钙溶解度最大（731.9 g/l）,所以在矿化度异常高的水中，离子则以Cl- 、Ca+ 为主。 氯离子（Cl-）高矿化的水中的主要阴离子。Cl-在地下水中广泛存在，低矿化的水中一般仅有几几十mg/l ，高矿化的水中可达100mg/l以上。* 为什么在高矿化水中均以Cl- 为主呢？这是由于氯盐为强电解质，溶解度很大而不易析出，且又不能被植物和细菌（生物）摄取，也不能被土粒吸附。因此，随着水的矿化度增高而不断积累。Cl-的来源：a.氯盐或含氯化合物的溶解；b.岩浆岩中含氯矿物的风化溶解，如Ca（PO4）3Cl（ 磷灰石） 、NaAlSiO4NaCl（ 方钠石）；c.海水倒灌、封存、风吹；d.火山喷发；e.污染，如居民点附近，水的矿化度并不太高，但Cl-含量超常，表明很可能被污染了；f.蒸发或蒸腾。 硫酸根离子（SO=4）为中等矿化度水的主要阴离子。来源：a.石膏（CaSO42H2O）的溶解；b.硫酸盐矿物的溶解；如黄铁矿
