水文地球化学电子教案4.ppt

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1、水文地球化学基础,主讲：苏春利,中国地质大学（武汉）环境学院,第四讲 地下水化学成分的形成与特征,地下水基本成因类型,按照地下水的形成起源可分为： 溶滤-渗入水 沉积-埋藏水 同期沉积水 非同期沉积水 含有一定比例的其他成因水 内生水,溶滤-渗入水 溶滤-渗入水为大气起源，溶滤作用对地下水化学成分的形成起重要作用。 沉积-埋藏水 也称为封存水，埋藏于地质构造比较封闭的地下环境中，其成分可在一定程度上反映形成沉积物时盆地的特点。 在沉积-埋藏水的形成过程中，一般经历以下的演化阶段，下面以海相地层为例说明。 以上演化过程在不同的地质历史时期可能会循环往复许多次。由此可见，沉积-埋藏水的形成过程及其

2、水化学成分是非常复杂的。,挤压阶段：淤泥、粘土中的沉积水受挤压进入含水层 渗入阶段：沉积物出露地表，大气水或地表水入渗，并驱替沉积水，发生水交替作用 下一个挤压阶段：形成新的淤泥、粘土；含水层中的水由中心向盆地两侧运移,地下水基本成因类型,地下水基本成因类型,内生水 1902年捷克鸩斯提出“初生水” ，即岩浆分异出来的水（岩浆水），认为该水首次流出地表，继而参与水圈总循环。 1940年苏联奥弗琴尼柯夫认为岩浆中确有水存在，并可使地下水圈的水在地壳发展过程中稍有增加，但不能认为地下水的储量是岩浆活动造成的；他将高温条件下矿物及岩石中结合态转变为游离态、并转入现代水圈的水称为“再生水”。 1975

3、年加弗里连科，在承认初生水基础上，提出“深成水”，包括沿深大断裂向地壳层和地表运移的，积极参与区域变质作用、接触交代作用和花岗岩化作用的大量初生水，以及以上作用终止后从岩石中脱出的再生水。这部分水仅当存在适当通道时，才溢出地表。,地下水基本成因类型,渗入成因地下水,渗入成因 地下水成分的形成过程,渗入成因地下水的形成经历了： 大气降水阶段 植物-土壤影响阶段 水-岩相互作用阶段 蒸发浓缩阶段,一、大气降水阶段,大气降雨的一般成分特征 气体 可溶性气体（O2, CO2, N2等）及惰性气体 侵蚀性 CO2溶于水后，形成碳酸，降低了雨水的pH值，提高了它的侵蚀性 弱酸-中性，未饱和，矿化度低强的溶

4、解能力 人类活动促使大气降水聚集各类金属、有机化合物及各种盐类，改变了雨水的矿化度、成分、氧化-还原性质、侵蚀性等。（例如酸雨pH5.65）,一、大气降水阶段,不同地区的大气降雨成分不同 近海地区： 受风卷送的海水飞沫等影响，其Na，Cl，Br，I 等含量相对增高，在海边的雨水的矿化度可超过0.1g/l。 内陆湿润地区： 雨水是无色、无味的，所含离子主要为Ca2+和HCO3-，矿化度一般为0.0n克/升。 内陆干旱地区： 雨水中杂质比较多，矿化度可达0.n克/升。,二、植物-土壤影响阶段,植物 雨水流经植物根部时，经常会富集一些植物中的生物成因元素 1955年瑞典Gorham 作了一个比较研究

5、，在松柏针叶树树根下采的雨水样与当地空中采的雨水样相比，发现，经过植物的雨水的钠和钙含量高出3倍，钾则高出17倍。,二、植物-土壤影响阶段,土壤是一个消耗水中DO的“酸性泵” 土壤中存在大量碳酸，来源于 大气中的CO2 光合作用土壤中的有机物CO2、NH3等强反应物 根系植物的呼吸作用 嫌氧条件下硫酸盐、硝酸盐可被有机物还原，产生CO2 土壤的生物化学作用产生许多有机酸，如富里酸、腐殖酸 DO与黄铁矿、锰结核等土壤中的矿物相反应也是酸性物质的来源之一,二、植物-土壤影响阶段,土壤的氧化还原条件改变金属元素的价态 氧化条件下 As、Fe、Mn形成难溶化合物，阻碍其随地下水迁移，并减小了对农作物的

6、危害 Cr、Zn、Cu、Cd形成易溶化合物，有利于其随地下水迁移，并加强了对农作物的危害 还原条件下 As、Fe、Mn形成易溶化合物，有利于其随地下水迁移，并加强了对农作物的危害 Cr、Zn、Cu、Cd形成难溶化合物，阻碍其随地下水迁移，并减小了对农作物的危害,二、植物-土壤影响阶段,经过植物-土壤的地下水的特征 含有数量可观的碳酸 未被氧化的有机化合物的进一步分解将使水中碳酸进一步提高 相对于碳酸盐矿物与原生铝硅酸盐矿物，远未达到饱和状态，即具有强溶解能力； 上述特征决定了地下水具有很强的与围岩介质发生反应的能力。,三、水-岩相互作用阶段,水与岩石的相互作用取决于 岩石（或矿物）的组成 地下

7、水的成分 环境的热力学条件：如温度、压力，氧化还原条件等 水-岩地球化学作用类型 溶解-沉淀作用 离子交换作用 氧化还原作用,在气候温和，降水充沛，地下径流发育的地区，岩石中的各种盐类在溶滤作用下依次溶出 氯化物溶出，形成氯化物型水出现于含盐层及盐渍化区 硫酸盐及残余氯化物溶出，形成硫酸盐型水出现于干旱、半干旱大陆区和石膏区 易溶盐大部分溶出后，含CO2的水使碳酸盐和铝硅酸盐产生不全等溶解，形成重碳酸型水出现于陆源沉积的近海区、碱土区和火山岩区 当硅酸盐被溶滤时，可形成含硅酸、Fe3+较高的重碳酸型水出现于风化强烈的湿热气候区,三、水-岩相互作用阶段溶滤作用,阳离子交换作用 Ca2+ + 2N

8、ax 2Na+ + Cax Mg2+ + 2Nax 2Na+ + Mgx 阴离子交换作用 Muscovite KAl2 AlSi3O10 F2 + 2OH- = KAl2 AlSi3O10 OH2 + 2F- Biotite KMg3 AlSi3O10 F2 + 2OH- = KMg AlSi3O10 OH2 + 2F-,三、水-岩相互作用阶段离子交换作用,以富含O2的入渗水进入含黄铁矿的沉积层为例 沉积层中黄铁矿溶解，地下水中形成Fe2+与SO42- 上述反应生成的硫酸与碳酸盐岩反应，可生成CO2，并进一步促进碳酸盐岩的溶解，形成SO4.HCO3型水；若无碳酸岩存在，则形成SO4型水 在强氧

9、化条件下，且有碳酸盐岩存在时，硫酸被中和，pH增高，可析出氢氧化铁沉淀 以沉积层中含有机物为例 地下水中的SO42-被还原为H2S 地下水中含H2S气体，取样时可闻到臭鸡蛋味道 SO42- + 2C + 2 H2O H2S + 2HCO3-,三、水-岩相互作用阶段氧化还原作用,PHREEQC的应用课堂案例2： 黄铁矿的氧化 PHREEQC的应用课堂案例3： 脱硫酸过程,三、水-岩相互作用阶段氧化还原作用,Al, Fe, Mn的氢氧化物 SiO2和粘土矿物 Al, Fe, Mn的磷酸盐 Ca和Mg的碳酸盐 CaSO4 （石膏） Na2SO4（芒硝） Na, K的氯化物 Mg的氯化物 Na, K和

10、Ca的硝酸盐,硅酸-重碳酸型水 重碳酸-钙镁水 苏打水 Na2SO4型水 Cl-Na水,水中盐类析出顺序,地下水化学成分变化,四、蒸发浓缩阶段,表生带地下水化学成分特征,表生带的概念 地球表部存在生物活动的圈带，包括大气圈、水圈、生物圈等 表生带是赋存渗入成因水的主要场所 表生带地下水具有分带性 水文地球化学分带性地下水化学成分在空间变化的规律性 自然地理分带水平分带 地质分带 垂直分带,渗入成因的溶滤潜水 弱酸性、重碳酸钙镁淡水 库尔洛夫式 大陆盐化的潜水 微咸、弱碱、硫酸盐-氯化物-重碳酸-钠钙镁 库尔洛夫式 两种水4:1混合 重碳酸-硫酸-钙钠镁水 库尔洛夫式,表生带地下水的平均化学成分

11、特征,表生带地下水化学成分特征,表生带地下水的分带性受下列因素影响 一级因素：气候 二级因素：植被 三级因素：岩性 气候是控制表生带地下水分带性最宏观一级的因素 我国自东南向西北矿化度渐高，重碳酸水硫酸盐水氯化物水浓缩为主的卤水,植被是控制表生带地下水分带性的次一级因素,所有水样点均位于粘土矿物稳定区内，而不位于原生铝硅酸盐矿物饱和区内，表明在表生带地下水与铝硅酸盐矿物普遍反应生成粘土矿物。 在草原区，蒙脱石化现象比较常见；而在森林区，高岭石化现象比较常见。 草原区与森林草原区的水样对方解石表现为饱和或接近饱和，在上述区域易形成苏打水。,1、大气降水；2、森林带的沼泽；3、热带森林；4、热带草

12、原；5、亚热带森林；6、亚热带草原；7、永冻原始森林；8、高山；9、山区森林；10、山区草原；11、混合林带；12、南方原始森林；13、森林草原；14、温带草原,不同岩性地区 地下水化学成分的形成、演化,碳酸盐岩地区 复杂沉积岩地区 结晶岩地区,碳酸盐岩地区 地下水化学成分的形成和特征,碳酸盐岩约占地表沉积岩分布面积的20% 我国碳酸盐岩分布面积占整个国土面积的1/3，以西南地区与华北地区最为发育。 主要分布于Z、O、D、 C、P、T及部分J、K和N 的海相地层中。,碳酸盐岩地区 地下水组分形成的影响因素,地下水化学成分的形成与方解石和白云石的溶解-沉淀过程密切相关: 受岩溶地下水系统开、闭性

13、的影响 受水与矿物的相遇顺序影响 受其他矿物的影响 受地下水中其他组分的影响 受地下水流动过程中环境温度的影响,岩溶地下水系统 开闭性对地下水的影响,大气圈中的CO2分压一般为10-3.5巴；包气带的CO2分压在10-2巴左右；而地下水中CO2分压值变化较大，一般在10-110-3巴之间，生物的呼吸作用及其分解都会产生CO2。 闭系统：系统与大气没有CO2交换，水与碳酸盐矿物之间的溶解反应所消耗的CO2得不到补充，这类系统称为“闭系统”。其特征是，Ca2+、HCO3-浓度较低，而pH较高；达到溶解平衡后，CO2分压值小于原始值。 开系统：系统与大气有CO2交换，水与碳酸盐矿物之间的溶解反应所消

14、耗的CO2可不断得到补充，这类系统称为“开系统”。其特征是，Ca2+、HCO3-较高，而pH值较低；水中CO2分压一般保持定值，其范围一般在10-2-10-3巴之间。,岩溶地下水系统 开闭性对地下水的影响,开系统 特征：PCO2基本保持不变 判据 流量、水位动态对旱雨季响应明显 地下水中有来自地表的污染物（NO3、Cl、细菌） 地下水中的计算PCO2高于大气PCO2,岩溶地下水系统 开闭性对地下水的影响,开系统 PCO2保持不变，方解石白云石不断溶解至饱和 Lg (HCO3)与pH呈线形关系 HCO3,Ca,TDS高，pH低，SI 1 泉华：开系统中的地下水以泉出露地表（从溶洞流出），CO2溢

15、出，Pco2降低，在泉口附近形成CaCO3 或 CaMg(CO3)2 沉淀,岩溶地下水系统 开闭性对地下水的影响,闭系统 特征：PCO2不断下降。 判据 流量、水位动态对旱雨季无明显响应 地下水中无来自地表的污染物（NO3、Cl、细菌） 地下水中计算PCO2较低,岩溶地下水系统 开闭性对地下水的影响,闭系统 PCO2快速下降，对方解石白云石溶解能力降低，达到饱和相对困难 HCO3与pH呈非线性, pH增加HCO3增加很少 HCO3,Ca,TDS低，pH高，SI1 产生少量泉华,岩溶地下水系统 开闭性对地下水的影响,开、闭系统的化学成分比较,岩溶地下水系统 矿物溶解顺序对地下水的影响,地下水流动

16、过程中所遇到的矿物的顺序不同，将会导致地下水化学组分的差异 3种溶解顺序 白云石方解石 方解石白云石 同步溶解,第一种溶解顺序：白云石方解石 先遇白云石，饱和后，再遇方解石 对于以上的溶解顺序，地下水温度将对水化学过程产生影响 原因 Kc=Ca2+CO32- Kd= Ca2+Mg2+CO32-2 Ca2+ CO32- 2 T = 10C时，Kd = Kc t Kc ；即白云石饱和后，水流经方解石时出现沉淀 t 10C时，Kd Kc ；即白云石饱和后，水仍能溶解方解石，此时方解石的溶解将增加地下水中的Ca2+与HCO3-，使地下水对白云石过饱和。但白云石的沉淀反应具有迟滞性，即使地下水达到对白云石的过饱和，它也不会马上沉淀。但一旦发生沉淀后，方解石将继续溶解。此时白云石的沉淀与方解石的溶解同时存在，属于典型的不全等溶解过程。 结果 地下水中的Ca2+与Mg2+的摩尔浓度之比接近1或稍大于