第六章地下水形成作用

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1、第六章 地下水化学成分及其形成 作用第六章 地下水的化学成分及其形成作用主要内容：掌握地下水中主要气体成分，了解它们的来源 及环境指示意义；掌握水中七种主要离子成分和它们的来 源，以及七种主要离子成分与矿化度变化的关系；了解水 化学成分的主要形成作用：溶滤作用、浓缩作用、脱硫酸 作用、脱碳酸作用、阳离子吸附交替作用、混合作用和人 类活动的作用，及其对地下水化学成分的影响；了解水化 学成分的表达方式与分类。 重难点：水中七种主要离子成分的来源，主要离子成分与 矿化度变化的关系；溶滤作用和浓缩作用的过程、结果以 及影响因素 6.1 概述地下水是天然溶液。地下水在参与自然界水循环过程中， 与大气圈、

2、水圈与生物圈同时发生着水量交换、化学成分 的交换（水质状况）。受到人类活动的影响。 地下水的化学成分是地下水与环境-自然地理、地质背景 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，反应了该地区地下水的历史演变。研究地下水的化 学成分，可以帮助我们回溯地区地下水的水文地质历史， 阐明地下水的起源与形成。水是最为常见的良好溶剂。水是地球元素迁移、分散与富 集的载体。许多地质过程（岩溶、沉积、成岩、变质、成 矿）都涉及地下水的作用。第六章 地下水的物理性质及化学成分水质确定，水的用途：工业原料，矿泉水，地下水元素的分散晕-找矿（盐矿，油田及金属矿床）或污染源研究角度：水文地质学的分支水

3、文地球化学，研究内容是地下水中化学元素分散、迁移与富集的规律。不能从纯化学、孤立、静止地研究地下水的化学成分及其形成，而必须从水与环境长期相互作用的角度，揭示地下水化学演变的内在依据及规律。第六章 地下水的物理性质及化学成分6.2 地下水的化学特征地下水中含有各种气体、离子、胶体物质、有机质 以及微生物等一、地下水中常见的气体成分 主要有氧（ O2）、氮（N2 ）、二氧化碳（CO2 ）、硫化氢（ H2S）、甲烷（ CH4），常见的气 体成分与地下水所处环境，地下水的来源有关。 第六章 地下水的物理性质及化学成分（1）氧（ O2）、氮（N2 ）、 来源：如果地下水中富含 O2与N2 也说明地下水

4、是大气起源(随降水一起入渗进入地下含水层中)。大气起源的地下水中，N2 也可能独立存在。此外，氮还有生物起源与变质起源。指示意义： O2含量高指示氧化环境；N2单独存在，地下水起源于大气并处于封闭环境。(2）硫化氢（ H2S）、甲烷（CH4 ） 来源：这两种气体，都是在封闭环境下生成的 。如 H2S是在有机物与微生物参与的生物化学过 程中形成，还原环境下地下水中的SO42- H2S ， 在成煤过程中， SO42-在还原作用下产生 H2S ，使 煤田水富含H2S 。同理，甲烷是成油和油气藏形 成过程的结果，油田水富含甲烷（CH4 ）。 指示意义：富含 H2S和CH4 的地下水，指示封闭的还原环境

5、。（3）二氧化碳（ CO2）大气降水中的 含量较低，地下水中 主要来源： 主要源于土壤层（入渗过程溶于水中）：有机质残骸发酵产生、植物呼吸作用产生 碳酸盐岩地层的脱碳酸作用 深部高温下，变质作用生成 人类活动，在使用化石燃料（煤、石油、天然气）时，大气中的 增加 作用：地下水中 增加，水对碳酸盐岩的溶解、结晶岩风化溶解的能力愈强！（4）地下水中气体成分特征小结：气体成分指示地下水所处的地球化学环境 氧化环境 还原环境 气体成分增加水对盐类的溶解能力促进水岩的化学反应（即相互作用）二、地下水中主要离子成分（1）概述：地下水中组分很多，而分布广、含量多的主要有七种离子：阴离子： HCO3-， SO

6、42-， Cl -，阳离子： Ca2+ ，Mg2+， K+ ，Na+离子成分含量与什么有关？ 各种元素的丰度（克拉克值）即某元素在地壳化学成分中的重量百分比 O Si Al Fe Ca Na K Mg Ti H 该元素组成的化合物在水中的溶解度 在自然界，丰度较高的元素，如Si、Al、Fe，在水中含量很低；而某 些丰度较低的，如Cl、S、C，在水中含量却很高。这说明元素组成的 化合物的溶解度起主要作用。 6.2 地下水的化学特征（2）主要离子的相对含量与地下水中的总含盐量（TDS）关系常见地下水的化学成分特征，与地下水的矿化度（或TDS）具有以下关系 ：矿化度： 低 中 高 阴离子： HCO3

7、-， SO42-， Cl -， 阳离子：Ca2+ Ca2+ 、Mg2+， Na+ K+ 为什么？先看看表6-1，找出表中规律。 我们可以得出主要离子构成的盐类溶解度的大小为：碳酸盐类 10者，且按递减的顺序排列，主要的阴阳离子分居于横线上下。分式的前端表示矿化度(M)及各种气体成分和特殊成 分(Br-、I-等)，单位为g/L，后端表示水的温度t。含量标于符号的右下角，Cl20.8 。若右下角有原子数时，将其移至右上角。6.3 地下水的温度地下水的温度变化主要受气温和地温的影响。地下水的热量 来源于太阳辐射与地球内部的热流。1、地壳温度的分带性 地壳按热力状态从上而下分为变温带、年常温带和增温带

8、 。 变温带变温带地温受气温的影响呈周期性的昼夜、季节和年变化地温受气温的影响呈周期性的昼夜、季节和年变化。随着深度的增加，变化幅度减小。随着深度的增加，变化幅度减小。常温带：常温带：温度变化幅度趋于零的温度相对稳定深度带。温度变化幅度趋于零的温度相对稳定深度带。 常温带的最大深度为常温带的最大深度为303040m40m，在气温变化较小的海洋性，在气温变化较小的海洋性 气候地区，常温带深度较小，可为气候地区，常温带深度较小，可为10m10m左右。左右。变温带增温带常温带变温带 12m，昼夜变化 1530m地温年变化只有0.1增温带：常温带以下的地温，主要受地球内部热力的影响 ，随着深度增加而有

9、规律地升高的地带。2. 地下水的温度受其赋存与循环处所的地温控制。 变温带：浅埋地下水显示微小的水温季节变化。常温带：地下水水温与当地年平均气温很接近，这两带的地下水，常给人以“冬暖夏凉”的感觉。增温带：地下水随其赋存与循环深度的加大而提高，成为热水甚至蒸汽。如西藏羊八井的钻孔，获得温度为160的热水与蒸汽。地下水水温的计算：已知年平均气温（t）、年常温带深度（h）、地温梯度（ r）时，可概略计算某一深度（H）的地下水水温（T），即：地下水循环深度计算：利用地下水水温（T），可以推算 其大致循环深度（H），即：地温梯度的平均值约为3100m。通常变化于1.54 l00m之间，但个别新火山活动区

10、可以很高。如西藏羊八 井的地温梯度为300100m。 地下水按温度分类1、过冷水： 100 地下水温度的测定 泉水的温度，测测量泉的出口 处；井水温度则测近井底处。6.4 地下水化学成分的形成作用本节讨论的地下水化学成分的形成作用包括： 溶滤作用水与岩的相互作用，经常发生 浓缩作用蒸发排泄条件下发生 脱碳酸作用在温度与压力发生变化时发生 脱硫酸作用在还原环境下发生， 阴离子交替吸附作用岩土表面吸附阳离子与水中阳离子的作用 混合作用2种或以上不同类型地下水交汇混合时发生 人为活动的作用 一、溶滤作用 1、定义：在地下水与岩土相互作用下，岩土中某些组分向地下水中转移的过程，其结果是，岩土失去部分可

11、溶物质 ，地下水中获得相应的化学组分，通常水的矿化度会增高 。如：2、影响因素（水和岩两个方面考虑）u 岩土的化学组分及组分的可溶性：通常流经什么样岩土，就会有什么样的水化学特征；与组分的溶解度和溶解速 度有关：盐分溶解度的差异，使易溶组分很快进入水中， 而难溶组分缓慢进入水中。如：石灰岩地区常见 HCO3-+Ca2+水、花岗岩地区常见 HCO3-+Na+水 6.4 地下水化学成分的形成作用-溶滤作用u 水的溶解能力：与水的矿化度（TDS）、气体组分(CO2、O2 )含量有关 a.水中已溶组分的多少即水的矿化度大小，随着盐份在水中的含量增高，水的溶解能力逐渐降低； b.水中某些气体组分含量越高

12、，如CO2、O2，可以增相 应盐类的溶解度 (碳酸盐类,硫化物的氧化）通常，入渗到地下的水（如降水、河水等），矿化度很低，随着水在地下含水岩层的运移，与岩土发生溶滤作 用后，不断有新的盐份被溶解到水中，地下水的矿化度（ TDS）增高，水的溶解能力就会下降。请思考：如此下去 ，最终地下水的溶解能力0，溶滤作用将会停止吗？为什么？地下水是如何保持它的溶解能力的6.4 地下水化学成分的形成作用-溶滤作用地下水的流动（交替）性：地下水的流动性是维系水的溶解能力的条件。而地下水的流动性取决于水的径流和交替强度（即V与Q）： 停滞与流动很缓慢的地下水，溶解能力最终会降低为零， 溶滤作用很弱 ;地下水流动速

13、度快，水交替（更新）迅速，CO2,O2不断被 补充，低TDS水不断更新已经降低溶解能力的水，保持水的溶解能力。 请思考：如果某一地区，地下水流动很快，水交替（循环）迅速，水化学特征如何？也就是说，某一地区溶滤作用 进行的很强烈，长期作用结果地下水中的矿化度高（TDS）如何？水中阴离子和水中阳离子以什么为主？6.4 地下水化学成分的形成作用-溶滤作用3、溶滤作用的结果：长期强烈溶滤作用的结果，地下水以 低矿化度的难溶离子为主，如 HCO3-Ca或 HCO3-CaMg水。这是由溶滤作用的阶段性决定的！设想岩层中原来含有包括氯化物、硫酸盐、碳酸盐及硅酸盐等各种矿物盐类。 开始阶段水流作用， Cl盐最

14、易溶水中随水带去， 不断 转入岩层中 Cl盐贫化 随后，相对易溶的SO42- 盐也被溶入水中随水带走，岩 层中 SO42-盐也贫化 最后（岩土中），只剩较难溶的碳酸盐类，溶滤的结果水中的化学成分就以较难溶的碳酸盐（或硅酸盐）为主。 6.4 地下水化学成分的形成作用-溶滤作用4、溶滤作用小结： 溶滤作用需要从地质历史发展的眼光（角度）来理解的，即长期的过程，是地质历史时期长期作用的结果。地下水是不断运动的，溶解的组分会被水流带走。 前期溶滤作用，地下水中成分体现水流经的地层岩性特征；后期溶滤作用的结果长期强烈溶滤作用的结果，地下水呈低矿化的难溶组分特点。 6.4 地下水化学成分的形成作用-溶滤作

15、用u定义：地下水在蒸发排泄条件下，水分不断失去，盐分相 对浓集，而引起的一系列地下水化学成分的变化过程。发生浓缩作用的条件是，以蒸发作用为主的干旱办干旱地区，集中排泄的地带。u 浓缩作用的结果：往往形成高矿化度的以易溶离子为主 的地下水（ Cl-，Na+ 为主的）HCO3-、 Ca2+ 、Mg2+ SO42-、 Na+ Cl-、 Na+ 低矿化度 中矿化度 高矿化度 浓缩作用的影响因素-与蒸发排泄的影响因素相同。因此，地下水化学成分形成作用受区域自然地理与地质条件 的影响，地下水的化学特征往往具有一定的分带性（空间 上的）。 二、浓缩作用6.4 地下水化学成分的形成作用-浓缩作用u浓缩作用的基

16、本条件：干旱或半干旱的气候 低平地势控制下较浅的地下水位埋深 有利于毛细作用的颗粒细小的松散岩土 最后一个必备的条件是地下水流动系统的势汇排泄处，因为只有水分源源不断地向某一范围供应，才能从别处带来大量的盐分，并使之集聚。 6.4 地下水化学成分的形成作用-浓缩作用1、发生条件：环境的温度和压力变化。 水中CO2的溶解度受环境的温度和压力控制。 CO2的溶解度随环境温度升高或压力降低而减小，水中部分 CO2逸出，HCO3-会与Ca2+、Mg2+形成CaCO3、MgCO3沉淀析出，称为脱碳酸作用。Ca2+十2 HCO3- CO2 十H2O十CaCO3Mg2+十2 HCO3- CO2 十H2O十MgCO3