精选优质文档-----倾情为你奉上第六章 地下水的化学成分及其形成作用6．1 概 述地下水不是化学纯的H2O，而是一种复杂的溶液天然：人为：人类活动对地下水化学成分产生影响地下水的化学成分是地下水与环境、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水是最为常见的良好溶剂，可溶解、搬运岩土中的某些组分水是地球中元素迁移富集的载体利用地下水，各种行业对水质都有一定的要求→进行水质评价1）水量→地下水动力学2）水质→水文地球化学对地下水的研究→水文地质学的理论基础6．2 地下水的化学特征1．地下水中主要气体成分O2 、N2 、CO2 、CH4 、H2S等1）O2 、N2地下水中的O2 、N2主要来源于大气地下水中的O2含量多→说明地下水处于氧化环境在较封闭的环境中O2耗尽，只留下N2，通常说明地下水起源于大气，并处于还原环境2）H2S 、甲烷（CH4）地下水中出现H2S、CH4 ，其意义恰好与出现O2相反，说明→处于还原的地球化学环境3）CO2CO2主要来源于土壤化石燃料（煤、石油、天然气）→CO2（温室气体）→温室效应→全球变暖地下水中含CO2愈多，其溶解碳酸盐岩的能力便愈强。
2．地下水中主要离子成分 7大离子：Cl-、SO42-、HCO3-、Na+、K+、Ca2+、Mg2+低矿化水中（M<1 ~ 2g/L）：HCO3-、Ca2+、Mg2+为主（难溶物质为主）；中矿化水中（M=2 ~ 5g/L）：SO42-、Na+、Ca2+为主；高矿化水中（M>5g/L）：Cl-、Na+为主（易溶物质为主）造成这种现象的主要原因是水中盐类溶解度的不同：１）Cl-主要出现在高矿化水中，可达几g/L ~ 100g/L以上来源：① 来自沉积岩氯化物的溶解；② 来自岩浆岩中含氯矿物的风化溶解；③ 来自海水；④ 来自火山喷发物的溶滤；⑤ 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高的地下水中，如Cl-含量超过寻常，则说明很可能已受到污染特点：① Cl-不为植物及细菌所摄取，不被土粒表面所吸附，氯盐溶解度大，不易沉淀析出，是地下水中最稳定的离子；② Cl-含量随着矿化度增长而不断增加，Cl-的含量常可用来说明地下水的矿化程度2）SO42-中等矿化的地下水中，SO42-为主要阴离子来源：① 含石膏（CaSO42H2O）或其它硫酸盐的沉积岩的溶解；② 硫化物的氧化： 2FeS2+7O2+2H2O→2FeSO4+4H++2SO42- （黄铁矿） 注意：① 由于煤系地层（C–P）常含有很多黄铁矿（硫铁矿），因此流经这类地层的地下水往往以SO42-为主；② 金属硫化物矿床附近的地下水中常含有大量的SO42-；③ 煤的燃烧产生大量SO2，与大气中的水汽结合形成含硫酸的降雨→酸雨，从而使地下水中SO42-增加；④ 在我国能源消耗中，煤占70%以上，我国每年向大气排放的SO2已达1800104t之多，因此，地下水中SO42-的这一来源不容忽视。
３）HCO3-低矿化水的主要阴离子来源：① 含碳酸盐的沉积盐（石灰岩、白云岩）与变质岩（大理盐）：CaCO3+H2O+CO2→2HCO3-+Ca2+MgCO3+H2O+CO2→2HCO3-+Mg2+② 岩浆岩与变质岩地区，HCO3-主要来源于铝硅酸盐矿物的风化溶解４）Na+高矿化水中的主要阳离子来源：① 沉积岩中岩盐及其它钠盐的溶解；② 海水；③ 岩浆岩和变质岩地区含钠矿物的风化溶解；④ 酸性岩浆岩中大量含钠矿物，在CO2、H2O的参与下，将形成低矿化的以Na+、HCO3-为主的地下水５）K+高矿化水中含量较多来源与分布特点与Na+相近：① 含钾盐类沉积岩的溶解；② 岩浆岩、变质岩中含钾矿物的风化溶解在地壳中K与Na的含量相近，但在地下水中K+的含量比Na+少得多，这是因为：① 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）；② 易为植物所摄取由于K+含量少，分析比较费事，所以一般将K+归并到Na+中，不另区分６）Ca2+是低矿化水中的主要阳离子来源：① 碳酸盐类沉积物及含石膏沉积物的溶解；② 岩浆岩、变质岩中含钙矿物的风化溶解７）Mg2+来源及分布与Ca2+相近：① 含镁的碳酸盐类沉积岩（白云盐、泥灰盐）；② 岩浆岩、变质岩中含镁矿物的风化溶解。
Mg2+在低矿化水中通常含量较Ca2+少地下水中各种离子的测定方法，参阅《水质分析》的有关书籍3．地下水中的其他成分除主要离子（七大离子）外，地下水中还有其他成分：1）次要离子：H+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、NH4+、OH-、NO2-、NO3-、CO32-、SiO32-、PO43-等；2）微量组分（元素）：Br、I、F、B、Sr等；3）胶体成分：Fe(OH)3、Al(OH)3、H2SiO3等；4）有机体；5）微生物：如氧化环境中存在：硫细菌、铁细菌； 还原环境中存在：脱硫酸细菌； 在污水中：各种致病细菌4．地下水的总矿化度及化学成分表示式总矿化度（总溶解固体）––––地下水中所含各种离子、分子与化合物的总量称为总矿化度（总溶解固体）单位：g/L矿化度M––––degree of mineralization；总溶解固体TDS––––total dissolved solid测定：① 一般以105 ~ 110C时将水蒸干所得的干涸残余物总量来表示矿化度（M）；② 将分析所得阴阳离子含量相加，相加时HCO3-只取重量的一半，因为在蒸干时，有近一半的HCO3-分解为CO2、H2O而逸失。
总硬度––––水中所含钙离子和镁离子的总量地下水水化学成分表示→库尔洛夫式：阴离子阳离子（毫克当量%：大→小排列）将阴阳离子分别标示在横线上按毫克当量百分数自大到小顺序排列小于10%的离子不予表示：横线前依次表示气体成分、特殊成分及矿化度(M)，三者单位均为g/L，横线后以字母t为代号表示以摄氏计的水温如：6．3 地下水的温度1) 太阳辐射；2) 地球内部的热流地壳表层有2个热源地壳表层可分为3个带：1）变温带：受太阳辐射影响，地温随昼夜与季节变化；2）常温带：地温接近常数，一般比当地年平均气温高１~2℃；3）增温带：受地球内部热流的影响，随深度加大地温升高地温梯度（g）––––是指每增加单位深度时，地温的增值单位：℃/100m地温梯度的平均值为3℃/100m，一般1.5 ~ 4℃/100m地下水的温度受地温控制：1）变温带地下水：水温有较小的季节性变化；2）常温带地下水：水温与当地平均气温接近；3）增温带地下水：随地温梯度的增加而增加，甚至成为热水两个公式：① 利用地温梯度（g），概略计算某一深度的地下水水温（T）：T=t+(Ｈ－h) g式中：t––––年平均气温；H––––地下水埋深；h––––常温带深度。
② 利用地下水温（T），推算其大致循环深度（H）：6．4 地下水化学成分的形成作用地下水主要来源于大气降水，大气降水的矿化度一般为0.02~0.05g/L，进入含水层后，水与岩土作用，矿化度升高，化学成分发生变化1．溶滤作用溶滤作用––––在水与岩土相互作用下，岩土中一部分物质转入地下水中溶滤作用的结果：岩土失去一部分可溶物质；地下水则补充了新的组分影响溶滤作用的因素：1）岩土中矿物盐类的溶解度：首先：NaCl迅速转入水中，SiO2很难溶于水中2）岩土的空隙：空隙发育，溶滤作用强，否则弱3）水的矿化度：低矿化水溶解能力强，而高矿化水溶解能力弱4）水中CO2、O2等气体成分：水中CO2含量愈高，溶解碳酸盐及硅酸盐的能力愈强水中O2含量愈高，溶解硫化物的能力愈强5）水的流动状况：停滞的地下水，最终将失去溶解能力；流动的地下水，经常保持强的溶解能力地下水的径流与交替强度是决定溶滤作用强度的最活跃、最关键的因素随着溶滤作用的进行：在时间上：一个地区经受溶滤作用愈强烈，时间愈长，地下水的矿化度愈低，愈是以难溶离子为其主要成分在空间上：气候愈是潮湿多雨，地质构造的开启性愈好，岩层的导水能力愈强，地形切割愈强烈，地下水的径流与交替愈迅速，地下水的矿化度愈低，难溶离子的相对含量也就愈高。
２．浓缩作用主要发生在干旱半干旱地区的平原与盆地的低洼处当地下水位埋藏较浅时，蒸发强烈，蒸发成为地下水的主要排泄去路1）水分排走；2）盐分保留下来蒸发作用→随着时间的增加，地下水溶液逐渐浓缩，M增大随着矿化度的上升，溶解度较小的盐类在水中相继达到饱和而沉淀析出，易溶盐类（如NaCl）的离子逐渐成为水中主要成分产生浓缩作用的条件：1） 气候：干旱半干旱；2） 地势：低平；3） 地下水位：埋藏浅；4） 排泄区（从别处带来的盐分在排泄区集聚）３．脱碳酸作用CO2的溶解度随温度升高或压力降低而减小，一部分CO2便成为游离CO2从水中逸出，这便是––––脱碳酸作用Ca2++2HCO3-→CO2↑+H2O+CaCO3↓Mg2++2HCO3-→CO2↑+H2O+MgCO3↓结果：① 地下水中HCO3-、Ca2+、Mg2+减少；② 矿化度降低４．脱硫酸作用在还原环境中，当有有机质存在时，脱硫酸细菌使SO42-还原为H2S––––脱硫酸作用SO42-+2C+2H2O→H2S+2HCO3-结果：① 水中SO42-减少以至消失；② HCO3-增加，pH值变大如：封闭的地质构造是产生脱硫酸作用的有利环境５．阳离子交替吸附作用岩土颗粒表面带有负电荷，能够吸附阳离子。
一定条件下，颗粒将吸附地下水中某些阳离子，而将其原来吸附的部分阳离子转为地下水中的组分，这便是–––––阳离子交替吸附作用离子在岩土与水之间交替）不同阳离子吸附能力的大小：H+ > Fe3+ > Al3+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ > Na+① 离子价愈高，离子半径愈大，则吸附能力也愈大，H+例外；② 地下水中某种离子的相对浓度愈大，交替吸附作用也就愈强；③ 颗粒愈细，比表面积愈大，交替吸附作用也就愈强；④ 粘土及粘土岩类最容易发生交替吸附作用６．混合作用混合作用––––成分不同的两种水汇合在一起，形成化学成分与原来两者都不相同的地下水这便是混合作用混合作用：① 可能发生化学反应→形成化学类型完全不同的地下水；② 不发生明显的化学反应→取决于参与混合的两种水的化学成分７．人类活动在地下水化学成分形成中的作用1） 污染地下水：工业三废：废气、废水、废渣，以及农业上大量使用的化肥、农药等，使地下水中含有原来含量很低的有害元素2） 改变地下水的形成条件，水质发生变化：过量开采地下水引起海水入侵，不合理灌溉引起次生盐渍化，使浅层水变咸等；引淡补咸使地下水淡化6．5 地下水化学成分的基本成因类型不同领域的学者，目前得出一致的结论：地球上的水圈是原始地壳生成后，氢与氧从地球内部层圈逸出而形成的。
因此，地下水起源于地球深部层圈。