地下水化学成分

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1、第七章第七章 地下水化学成分地下水化学成分l l第一节概述第一节概述l l第二节地下水的化学特征第二节地下水的化学特征l l第三节地下水的温度第三节地下水的温度第七章第七章 地下水化学成分地下水化学成分1 1、地下水的化学成分是地下水与环境自然地理、地质背景地下水的化学成分是地下水与环境自然地理、地质背景 以及人类活动长期相互作用的产物。一个地区地下水的化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。研究地下水的化学面貌，反映了该地区地下水的历史演变。研究地下水的化 学成分，可以帮助我们回溯一个地区的水文地质历史，阐明学成分，可以帮助我们回溯一个地区

2、的水文地质历史，阐明 地下水的起源与形成。地下水的起源与形成。 2 2、水是最为常见的良好溶剂。它溶解岩土的组分，搬运这些水是最为常见的良好溶剂。它溶解岩土的组分，搬运这些 组分，并在某走些情况下将某些组分从水中析出。水是地球组分，并在某走些情况下将某些组分从水中析出。水是地球 中元素迁移、分散与富集的载体。许多地质过程（岩溶、沉中元素迁移、分散与富集的载体。许多地质过程（岩溶、沉 积、成岩、变质、成矿）都涉及地下水的化学作用。积、成岩、变质、成矿）都涉及地下水的化学作用。 第一节、概述第一节、概述3 3、地下水中化学元素迁移、聚集与分散的规律，、地下水中化学元素迁移、聚集与分散的规律， 是水

3、文地质学的分支水文地球化学的研究内容。是水文地质学的分支水文地球化学的研究内容。 地下水中元素迁移不能脱离水的流动，因此水文地地下水中元素迁移不能脱离水的流动，因此水文地 球化学的研究必须与地下水运动的研究紧密结合。球化学的研究必须与地下水运动的研究紧密结合。 地下水水质的演变具有时间上继承的特点，自地下水水质的演变具有时间上继承的特点，自 然地理与地质发展历史给予地下水的化学面貌以深然地理与地质发展历史给予地下水的化学面貌以深 刻影响；因此，不能从纯化学角度，孤立、静止地刻影响；因此，不能从纯化学角度，孤立、静止地 研究地下水的化学成分及其形成，而必须从水与环研究地下水的化学成分及其形成，而

4、必须从水与环 境长期相互作用的角度出发，去揭示地下水化学演境长期相互作用的角度出发，去揭示地下水化学演 变的内在依据与规律。变的内在依据与规律。 第二节、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。1、地下水中主要气体成分地下水中常见的气体成分有O2、N2、CO2、CH4、及H2S等 ，尤以前三种为主。通常情况下，地下水中气体含量不高，每公升水中只有几毫克到几十毫克。地下水中的气体成分很有意义。一方面，气体成分能够说明地下水所处的地球化学环境；另一方面，地下水中的有些气体会增加水溶解盐类的能力，促进某些化学反应。 （1）氧(O2)、氮(N2)地下水中氧气和氮气

5、主要来源于大气。它们随同大气 降水及地表水补给地下水，因此，以入渗补给为主、与大 气圈关系密切的地下水中含O2及N2较多。溶解氧含量愈多，说明地下水所处的地球化学环境愈 有利于氧化作用进行。O2的化学性质远较N2为活泼，在较封闭的环境中，O2 将耗尽而只留下N2。因此，N2的单独存在，通常可说明地 下水起源于大气并处于还原环境。大气中的惰性气体(Ar、Kr、Xe)与N2的比例恒定，即 ：(Ar+Kr+Xe)/N2=0.0118。比值等于此数，说明N2是大气 起源的；小于此数，则表明水中含有生物起源或变质起源 的N2。 （2 2）硫化氢）硫化氢(H(H2 2S)S)、甲烷甲烷(CH(CH4 4)

6、 )地下水中出现地下水中出现HH2 2S S与与CHCH4 4，其意义恰其意义恰 好与出现好与出现OO2 2相反，说明处于相反，说明处于还原还原的地球化的地球化 学环境。学环境。这两种气体的生成，均在与大气比较这两种气体的生成，均在与大气比较 隔绝的环境中，有有机物存在，微生物参隔绝的环境中，有有机物存在，微生物参 与的生物化学过程有关。其中，与的生物化学过程有关。其中，HH2 2S S是是 SOSO4 42-2-的还原产物。的还原产物。 (3)(3)二氧化碳二氧化碳(CO(CO2 2) )地下水中的地下水中的COCO2 2主要来源于土壤。有机质残骸的发酵作用与主要来源于土壤。有机质残骸的发酵

7、作用与 植物的呼吸作用使土壤中源源不断产生植物的呼吸作用使土壤中源源不断产生COCO2 2并溶入流经土壤的地并溶入流经土壤的地 下水中。下水中。含碳酸盐类的岩石，在深部高温下，也可以变质生成含碳酸盐类的岩石，在深部高温下，也可以变质生成COCO2 2在少数情况下，地下水中可能富含在少数情况下，地下水中可能富含COCO2 2，甚至高达甚至高达1g/L1g/L以上以上 。工业与生活应用化石燃料（煤、石油、天然气），使大气工业与生活应用化石燃料（煤、石油、天然气），使大气 中人为产生的中人为产生的COCO2 2明显增加。由此引起了温室效应，使气温上升明显增加。由此引起了温室效应，使气温上升 。地下水

8、中含地下水中含COCO2 2愈多，其溶解碳酸盐岩与对晶岩进行风化作愈多，其溶解碳酸盐岩与对晶岩进行风化作 用的能力便愈强。用的能力便愈强。 地下水中分布最广、含量较多的离子共七种，即 ：氯离子(Cl-)、硫酸根离子(SO42-)、重碳酸根离子 (HCO3-)、钠离子(Na+)、钾离子(K+)、钙离子(Ca2+)及 镁离子(Mg2+)。构成这些离子的元素，或是地壳中含量较高，且 较易溶于水的(如O2、Ca、Mg、Na、K)，或是地壳中 含量虽不很大，但极易溶于水的（Cl、以SO42-形式出 现的S）。Si、Al、Fe等元素，虽然地壳中含量很大 ，但由于其难溶于水，地下水中含量通常不大。 2 、地

9、下水中主要离子成分 一般情况下，随着总矿化度（总溶解固体）的 变化，地下水中占主要地位的离子成分也随之发生 变化。低矿化水中常以HCO3-及Ca2+、Mg2+为主；高矿 化水则以Cl-及Na+为主；中等矿化的地下水中，阴离 子常以SO42-为主，主要阳离子则可以是Na+，也可以 是Ca2+。地下水的矿化度与离子成分间之所以往往具有 这种对应关系，一个主要原因是水中盐类的溶解度 不同。 （1）氯离子 (Cl-) 氯离子在地下水中广泛分布，但在低矿化 水中一般含量仅数毫克/升到数十毫克/升，高 矿化水中可达数克/升乃至100克/升以上。离子与矿化度相关系数较高，Na为0.91，Cl0.84胜利、苏

10、北、酒泉、鄂尔多斯（胜利、苏北、酒泉、鄂尔多斯（J J） 地下水中Cl-的主要来源来自沉积岩中所含岩盐或其它氯化物的溶解；来自岩浆岩中含氯矿物氯磷灰石Ca5(PO4)3Cl、方钠石NaAlSiO4NaCl的风化溶解；来自海水：海水补给地下水，或者来自海面的风将细沫状的海水带到陆地，使地下水中Cl-增多；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离的地下水中，如发现Cl-的含量超过寻常，则说明很可能已受到污染。 氯离子不为植物及细菌所摄取，不被土粒表面吸附，氯盐溶解度大，不易沉淀析出，是地下水中最稳定的离子。它的含量随着矿化度增长而不断增加，

11、Cl-的含量常可用来说明地下水的矿化程度。 (2)硫酸根离子(SO42-) 在高矿化水中，硫酸根离子的含量仅次于Cl-，可达数克/升个别达数十克/升；在低矿化水中，一 般含量仅数毫克/升到数百毫克/升；中等矿化的水 中，SO42-常成为含量最多的阴离子。 地下水中SO42-的主要来源地下水中的SO42-来自含石膏(CaSO42H2O)或其它硫酸盐的 沉积岩的溶解。硫化物的氧化，则使本来难溶于水的S以SO42-形式大量进 入水中。例如：2FeS2+7O2+2H2O2FeSO4+4H+2SO42- (6-2)煤系地层常含有很多黄铁矿，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

12、近的地下水也常含有 大量SO42-。化石燃料的燃烧给大气提供了人为作用产生的SO2与氮氧 化合物（每年22.5108t），氧化并吸收水分后构成富含 硫酸及硝酸的降水“酸雨”，从而使地下水中SO42-增加。 由于CaSO4的溶解度较小，限制了SO42-在水 中的含量，所以，地下水中的SO42-远不如Cl-来 得稳定，最高含量也远低于Cl-。 （3）重碳酸根离子(HCO3-)地下水中HCO3-的含量一般不超过数 百毫克/升，HCO3-几乎总是低矿化水的主 要阴离子成分。 地下水中的重碳酸的来源：来自含碳酸盐的沉积岩与变质岩（如大理岩）：CaCO3+H2O+CO22HCO3-+Ca2+ (6-3)M

13、gCO3+ H2O+CO22HCO3-+Mg2+ (6-4)CaCO3 和MgCO3是难溶于水的，当水中有CO2存在时，方 有一定数量溶解于水，水中HCO3-的含量取决于与CO2含量 的平衡关系。岩浆岩与变质岩地区，HCO3-主要来自铝硅酸盐矿物(钠 长石和钙长石)的风化溶解，如：Na2Al2Si6O16+2CO2+3H2O2HCO3- + 2Na+ + H4Al2Si2O9 +4SiO2CaO2Al2O34SiO2+2CO2+5H2O2HCO3-+ Ca2+ 2H4Al2Si2O9（4）钠离子(Na+)钠离子在低矿化水中的含量一般很低，仅数毫 克/升到数十毫克/升，但在高矿化水中则是主要的

14、阳离子，其含量最高可达数十克/升。Na+来自沉积岩中岩盐及其它钠盐的溶解，还 可来自海水。在岩浆岩和变质岩地区，则来自含钠 矿物的风化溶解。酸性岩浆岩中有大量含钠矿物， 如钠长石；因此，在CO2和H2O的参与下，将形成低矿 化的以Na+及HCO3-为主的地下水。由于Na2CO3的溶解 度比较大，故当阳离子以Na+为主时，水中HCO3-的含 量可超过与Ca2+伴生时的上限。 （5）钾离子(K+)钾离子的来源以及在地下水中的分布特点，与钠 相近。它来自含钾盐类沉积岩的溶解，以及岩浆岩、 变质岩中含钾矿物的风化溶解。在低矿化水中含量甚微，而在高矿化水中较多。 虽然在地壳中钾的含量与钠相近，钾盐的溶解

15、度也相 当大。但是，在地下水中K+的含量要比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），并易为植物所摄取。由于K+的性质与Na+相近，含量少，分析比较费事 ，所以，一般情况下，将K+归并到Na+中，不另区分。 （6）钙离子(Ca2+)钙是低矿化地下水中的主要阳离子，其含量一般 不超过数百毫克/升。在高矿化水中，由于阴离子主 要是Cl-，而CaCl2的溶解度相当大，故Ca2+的绝对含量 显著增大，但通常仍远低于Na+。矿化度格外高的水， 钙也可成为主要离子。地下水中的Ca2+来源于碳酸盐类沉积物及含石 膏沉积物的溶解，以及岩浆岩、变质岩中含钙矿物的

16、风化溶解。 （7）镁离子(Mg2+)镁的来源及其在地下水中的分布与钙相近。来源 于含镁的碳酸盐类沉积（白云岩、泥灰岩），此外， 还来自岩浆岩、变质岩中含镁矿物的风化溶解，如：(MgFe)2SiO4+2H2O+2CO2MgCO3+FeCO3+Si(OH)4MgCO3+H2O+CO2Mg2+2HCO3-Mg2+在低矿化水中含量通常较Ca2+少，通常不 成为地下水中的主要离子，部分原因是由于地壳组中 Mg比Ca少。 3、地下水中的其它成分地下水还有一些次要离子，如H+、Fe2+、Fe3+、Mn2+ 、NH4+、OH-、NO2-、NO3-、CO32-、SiO32-及PO43-等。地下水中的微量组分，有Br、I、F、B、Sr等。地下水中以未离解的化合物构成的胶体，主要有