地下水化学组分及其演变

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1、地下水的化学成分地下水的主要物理、化学性质地下水化学成分的形成作用地下水化学成分的基本成因类型 地下水化学成分的分析内容、资料整理与分类图示地下水的水质评价,本章内容：,概 述,几个问题：地下水是否是纯水？除水（H2O）以外，地下水中有何成分？如果有其它成分，这些成分如何形成的？这些成分对人类的生活、生产有何影响？,研究地下水化学成分的意义： 阐明地下水的起源、形成与分布规律； 阐明成矿机制，完善与丰富找矿理论 ； 地下水质量评价。,来源（补给成分复杂）,下渗过程中与周围岩土产生溶滤作用（岩土成分复杂）,地下水成分,研究学科水文地球化学：研究地下水中化学元素迁移、集聚和分布规律的科学。 研究重

2、点：地下水水质变化。研究地下水化学成分应注意的问题： 地下水动力学的研究 水与周围环境长期相互作用,第一节 地下水的化学成分,组成地壳的87种元素，地下水中已发现70余种。分别以气体、离子、胶体物质、有机质以及微生物等形式存在于地下水中。 一、主要的气体成分 常见的有O2、 N2、CO2、CH4 及 H2S,氧（O2）、氮（N2） 来源： O2 主要来源于大气； N2 三个来源：大气、生物成因、变质成因。判别：,O2与N2共存-来源于大气并处于氧化环境 N2单独存在-来源于大气并处于还原环境 大气中惰性气体（Ar, Kr, Xe）与N2的比值： （Ar, Kr, Xe）/ N2 = 0.011

3、8，则N2是大气起源 （Ar, Kr, Xe）/ N2 0.0118，则N2有生物或变质起源,二氧化碳（CO2） 来源： 大气：但含量较低，工业化城区含量高。 生物：土壤有机质残骸的发酵作用与植物的呼吸作用变质成因：地球深部高温高压下变质生成： 人为CO2 ：工业发展造成（温室效应）作用: 地下水中CO2越多，其溶解碳酸盐岩和对结晶岩进行风化作用的能力越强。,硫化氢（H2S）、甲烷（CH4） H2S来源： 硫酸盐还原：,硫化矿物分解：火山喷发。 H2S和CH4的存在表明还原环境 。H2S一般出现在深层地下水中，油田水中含量很高，常以此作为寻找石油的间接标志。,酸性水形成机理,二、主要离子成分

4、主要离子成分七种：CO32- Cl-、SO42-、HCO3-、Na+、K+、Ca2+和Mg2+。形成以上主要离子成分的原因： 地壳中含量较高，且易溶于水的；（O2、Ca、Mg、Na、K） 地壳中含量不高，但极易溶于水的；（Cl-、SO42-） 地壳中含量很高，但难溶于水的，地下水中含量不高（Si、Al、Fe）主要离子成分与矿化度之间的对应关系： 低矿化度： HCO3-、 Ca2+、Mg2+ 中矿化度： SO42-、 Na+、 Ca2+ 高矿化度： Cl-、 Na+ 溶解度：氯盐 硫酸盐 碳酸盐；Ca2+、 Na+ Ca2+、Mg2+,1、氯离子(Cl-) （1）特点：地下水中分布最广的离子，每

5、升水中由数毫克至数百克不等。在高矿化度水中，C1-常占优势。 不被植物吸收、不被土壤颗粒吸附、不易沉淀，最稳定，是水中含盐量多寡的标志。（2）来源：A、含岩盐的沉积岩或氯化物溶解；B、含氯化物的岩浆岩风化溶解C、海水补给；D、火山喷发物的溶滤产物； E、人为污染,2、硫酸根离子(SO42-)（1）特点：SO42-地下水中总含量在阴离子中仅次于Cl-。其含量变化范围由小于1毫克至数克不等。中等矿化度的水中含量高。（2）来源：A、主要为石膏及其它含硫酸盐的沉积物。B、天然硫和硫化物矿物的氧化作用也可以给地下水带来SO42-， 如： 2S十3O2十2H2O 4H+十2SO42-2FeS2十7O2十2

6、H2O 2FeSO4十4H+十2SO42-C、煤系地层（含黄铁矿）D、化石燃料，产生大量SO2，形成“酸雨”渗入地下。,3、重碳酸根离子(HCO3-)（1）特点：地下水中含量一般不超过1gL，因为HCO3-主要来源于碳酸盐类岩石，而它的溶解度很小，只有当地下水中存在CO2时才较易溶于水。通常以HCO3-为主要成分的地下水含盐量都不高，是淡水的特征。 （2）来源：A、在水中有一定量的CO2存在时，碳酸盐溶解。CaCO3+H2O+CO2 2HCO3-+Ca2MgO3+H2O+CO2 2HCO3-+Mg2B、铝硅酸盐风化溶解。Na2Al2Si6O16十3H2O十2CO2 2HCO3-H4A12Si2

7、O9十2CO3-十4SiO22Na+CaO2Al2O34SiO2+2CO2 +5H2O 2HCO3-+Ca2+2H4Al2Si2O3,4、 钠离子(Na+)（1）特点：地下水中分布最广泛的阳离子，其含量可由每升数毫克至效十克甚至一百克以上。是高矿化度水中主要阳离子。（2）来源：A、地下水溶解岩盐及其它的钠盐；B、海水或古海水的残余；C、火成岩与变质岩中某些含钠矿物的风化溶解。2NaAlSi3O8十2H2O十CO2 4H4A12Si2O9十Na2CO3十4SiO2Na2CO3十H2O 2Na十HCO3-十OH-所以，在酸性火山岩地区可以形成HCO3-Na+型水。,5、钾离子(K+)（1）特点：钾

8、离子(K+)的来源与Na+相似。在低矿化度中甚微，而在高矿化度中多。虽然地壳中钾的含量高，且钾盐的溶解度也很大，但是因为K+容易被粘土吸附，被植物吸收，同时参与形成难溶于水的次生矿物，所以在地下水中含量不如Na+大。由于K+、 Na+性质相近， K+含量低，在地下水分析中，两者合并计算。（2）来源：A、钾盐沉积岩的溶解；B、岩浆岩、变质岩的钾岩矿物风化溶解。,6、钙离子(Ca2+)（1）特点：Ca2+在地下水中分布广，一般含量低。很少超过lg/L。因为Ca2+主要来源于地下水溶解碳酸盐类岩石，而这类岩石的溶解度很低。 Ca2+的随着含盐量的增高， 相对含量很快减少。由于CaCl2 的溶解度相当

9、大，所以矿化度格外高时， Ca2+可以是主要阳离子。（2）来源：A、碳酸盐的沉积物，膏盐沉积物；B、岩浆岩、变质岩中含钙矿物的风化溶解。CaO2Al2O34SiO2+2CO2 +5H2O 2HCO3-+Ca2+2H4Al2Si2O3,7、镁离子(Mg2+)(1)特点：地下水中分布广，含量低，通常不作为地下水的主要离子。溶解度比Ca2+高，但含量比Ca2+低，这是因为地壳组成中Mg比Ca少、Mg2+容易被植物吸收、同时参与次生矿物的组成。在富含铁镁矿物的超基性岩石发育地区，可以见到含Mg2+高的地下水。 (2)来源: A、含镁的碳酸盐类沉积岩B、基性岩浆岩、变质岩中含镁矿物的风化溶解的风化产物。

10、,三、地下水中的其它成分 1、次要离子：如 H、Fe2+、Fe3+、Mn2+、NH4、OH-、N02-、NO3- 、CO32-、SiO32-及P043-等。2、微量组分：Br、I、F、B、Sr等。3、胶体：Fe(OH)3、A1(OH)3，及H2SiO3等。4、有机质: 常以胶体方式存在于地下水中，常使地下水酸度增加，并有利于还原作用。5、微生物：在氧化环境中存在硫细菌、铁细菌等；在还原环境中存在脱硫酸细菌等；此外，在污染水中，还有各种致病细菌。,第二节 地下水的主要物理、化学性质,主要的物理性质有：色(color)、嗅(smell)、味(taste)、温度(temperature)、透明度(d

11、iaphaneity, transparency)、比重(specific weight)、导电性(conductance)、 放射性(radioactivity) 主要的化学性质有：总溶解固体、硬度、酸碱性 。 两者关系：物理性质往往是化学性质的外在表现。,1. 地下水的颜色,2. 地下水的气味（嗅）地下水一般无气味，若含有H2S气体，水有臭鸡蛋气味；含Fe2+，水有铁锈味，即“墨水味”；含腐殖质，有腐草味或淤泥臭味。水中气味强弱与水温有关，常温时不显，若将水加热到4060时，气味显著。,地下水所含的盐类及引起味觉的最低含量,3. 地下水的味道,味道的强弱取决于地下水的温度，常温时不显，若将

12、水加热到2030时，味道显著。,4. 地下水的透明度测量方法：用筒底装有放水嘴的量筒，量筒高100cm，直径3cm，将3mm粗的黑十字线放在量筒底部，注满水后，慢慢打开放水嘴，筒内水面缓缓下降，同时观测黑十字线，直到能看到黑十字线的清晰图像为止，记录量筒内水柱高度。按下表（水的透明度分级表）确定水的透明度：,5. 地下水的比重取决于水中溶解盐类的数量。溶解的盐类越多，地下水的比重越大。一般地下水的比重接近于1。利用地下水的比重特征可以判别盐湖中盐类的沉积层位，便于分层位开采。 6. 导电性取决于水中溶解的电解质的数量和性质，即取决于各种离子的含量和离子价。离子含量越多，价数越高，则水的导电性越

13、强。此外，温度也影响导电性。,导电性用导电率表示，单位：-1cm-1。导电率为电阻率的倒数。淡水的电阻率为n10-1 n10-3，咸水的电阻率比淡水的电阻率小，故可根据电阻率或导电率的不同，确定滨海地区咸水和淡水分界面及其分布范围。 7. 水的放射性取决于水中放射性物质的含量，大多数地下水都具有放射性，但其含量微弱。放射性矿床与酸性火成岩地区的地下水具有较高的放射性。利用水中放射性突然增强可以寻找放射性矿藏。,8. 温度 水交替缓慢时温度与地温一致，并取决于太阳辐射热能、地球内部热流 。地壳按热力状态从上而下分为变温带、常温带和增温带。变温带：受太阳辐射热能影响，呈昼夜变化与季节变化。昼夜变化

14、只影响地表以下12m深度。变温带的下限为1530m。常温带：是变温带以下一个极簿的地带。地温一般比当地年平均气温高出12，粗略计算时可视为当地的年平均气温。增温带：受地球内部热流控制。随深度增加而温度升高。用地温梯度或地温增温率表示。,常温带深度：12m，昼夜变化； 1030m，地温年变化只有0.1,地温梯度（r）：每增加100m深度时地温的增值（/100m） 增温带内某深度（H）地温（T）的计算： T = t + (H - h) r t为年平均气温；h为常温带深度；r为地温梯度。或已知T，推求地下水循环的深度H： H = (T-t)/r + h地温梯度的平均值为3/100m，范围1.54/1

15、00m。不同地区由于岩石的导热性、地壳运动和水文地质条件的不同，地温梯度有所变化。羊八井300/100m。,1 异常水温,WS1C33上-1、W9-2、WS1C33下-1而言，由地温与深度关系式计算出其深度依次是-840.51m、-809.51m、-840.51m,9.总溶解固体（TDS）（矿化度） 地下水中所含种离子、分子与化合物的总量。(g/L） （Total Dissolved SolidsTDS）。习惯上以105 110时将水干所得的涸残余物总量。 因此： 计算时挥发性成分不计入； HCO3-只取重量的半数 。,地下水按TDS的分类表,10.硬 度 概念：水中Ca2+、Mg2+的总含量。（meq/L） 目前新的国标中以CaCO3含量（mg/L）表示。分类： 总硬度：水中Ca2+、Mg2+的总含量 。暂时硬度：水煮沸时（脱碳酸作用），因形成碳酸盐沉淀而失去的一部分Ca2+、Mg2+含量 。永久硬度：水煮沸后仍留在水中的Ca2+、Mg2+含量,计算 ：rCa2+Mg2+ rHCO3-时， 暂时硬度 = rHCO3- 永久硬度 = rCa2+Mg2+- rHCO3- rCa2+Mg2+ rHCO3-时， 总硬度 = 暂时硬度 = rCa2+Mg2+ 永久硬度 = 0,