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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水化学成分是非常复杂的
2、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年加弗里连科 在承认初生水基础上 提出 深成
3、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
4、水的矿化度 成分 氧化 还原性质 侵蚀性等 例如酸雨 pH 5 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 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
5、 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
6、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
7、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 2Nax 2Na CaxMg2 2Nax 2Na Mgx阴离子交换作用MuscoviteKAl2 AlSi3O10 F2 2OH KAl2 AlS
8、i3O10 OH 2 2F BiotiteKMg3 AlSi3O10 F2 2OH KMg AlSi3O10 OH 2 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 2H2O H2S
9、 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
10、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
11、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
12、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 1 10 3巴之间 生物的呼吸作用及其分解都会产生CO2
13、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
14、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
15、线性 pH增加HCO3增加很少HCO3 Ca TDS低 pH高 SI 1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 2T 10 C时 Kd KctKc 即白云石饱和后 水流经方解石时出现沉淀t 10 C时 Kd K
16、c 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1 第二种溶解顺序 方解石 白云石方解石的溶解不会产生使地下水达到对白云石饱和所必需的Mg2 水流经白云石时 白云石的溶解将向地下水中加入更多的Ca2 与CO32 促使方解石沉淀 方解石沉淀使水中Ca2 CO32 减少 这又进一步促进了白云石溶解 结果 地下水中的Ca2 与Mg2 的摩尔浓度之比随流程不断下降 最终如地下水同时达到对方解石与白云石的饱和 地下水中的Ca2 与Mg2 的摩尔浓度之比与Kc和Kd有关 第三种溶解顺序 同步溶解同步溶解由于方解石的溶解速度 白云石 故方解石先饱和而沉淀 白云石继续溶解 结果 地下水中的Ca2 与Mg2 的摩尔浓度之比初始值高 后来逐渐渐低 如果白云石含量远大于方解石 如灰质白云岩 白云石将先达到
