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1、地下水的化学成分及其形成作用(精)第六章地下水的化学成分及其形成作用第一节归纳地下水是天然溶液。地下水在参加自然界水循环过程中，与大气圈、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）。水是优异的溶剂，地下水在空隙中运移时，能够溶解岩石中的组分，使地下水的化学成分丰富多彩。地下水的物理性质：温度、颜色、嗅、味、密度、导电性与放射性地下水的化学性质：气体成分、离子成分、胶体物质、有机质等地下水的放射性、微生物成分等。第二节地下水的化学特点一、地下水中常有的气体成分主要有氧（）、氮（）、二氧化碳（）、硫化氢（）、甲烷（），常有的气体成分与地下水所处环境，地下水的本源有关。（1）氧（）、
2、氮（）本源：在大气成分中、含量很高，随降水一起入渗进入地下含水层中。反过来，若是地下水中富含与也说明地下水是大气起源。由于活跃，在地下水运动中易发生氧化作用而耗资，因此，大气起源的地下水中，也可能独立存在。其他，氮还有生物起源与变质起源。指表示义：含量高指示氧化环境；封闭环境下，氧被耗尽只剩下，则为大气起源封闭环境。（2）硫化氢（）、甲烷（）本源：这两种气体，都是在封闭环境下生成的。如是在有机物与微生物参加的生物化学过程中形成，还原环境下地下水中的，在成煤过程中，在还原作用下产生，使煤田水富含。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（）。指表示义：富含和的地下水，指示封闭的
3、还原环境。（3）二氧化碳（）大气降水中的含量较低，地下水中主要本源：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点小结：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、地下水中的主要离子成分（1）归纳：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：，阳离子：，离子成分含量与什么有关？，各种
4、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。（2）主要离子的相对含量与地下水中的总含盐量（TDS）关系常有地下水的化学成分特点，与地下水的矿化度（或TDS）拥有以下关系矿化度：低中高阴离子：阳离子：我们能够得出主要离子组成的盐类溶解度的大小为：碳酸盐类硫酸盐类氯化物（氯盐）（3）主要离子成分的本源低矿化度水中的常有离子：，常共同出此刻低矿化度水中。本源积聚盐岩的溶解、岩浆岩、变质岩等的风化溶解，
5、如风化溶解反应式：积聚盐岩的溶解反应式：高矿化度水中的常有离子：，常出此刻高矿化度水中。本源积聚盐岩（钠盐、钾盐）的溶解，以及岩浆岩、变质岩的风化溶解，有时也有海水海风影响。变质岩的风化溶解反应式：中等矿化度水中的常有离子：，常出此刻中等矿化度水中。其中，本源于积聚盐类溶解、金属硫化物的氧化、火山喷发，气体氧化、以及人类活动燃烧煤产生大量，大气中过高时，会出现降“酸雨”现象（如一些工业城市上空）。（4）主要离子成分在地下含水系统（岩层）中的分布插图6-1，表示了水中主要阴离子沿流程的变化特点。请思虑？相应的阳离子和矿化度（TDS），沿流程如何变化？插图6-1主要阴离子沿流程变化特点（图中+号表
6、示含量多少）三、地下水中的其他成分次要离子：阳离子，如阴离子，如及等微量组分：有Br、I、F、B、Sr等化合物组成的胶体：主要有，及等，有时可占到相当比率。有机质：经常以胶体方式存在于地下水中。有机质的存在，常使地下水酸度增加，并有利于还原作用。地下水中还存在各种微生物：如，硫细菌、铁细菌、脱硫酸细菌等；在污染水中，还有各种致病细菌。第三节地下水的温度地下水的温度受其赋存与循环地方的地温控制。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凑近，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
7、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，可大体计算某一深度（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），能够计算其大体循环深度（H），即：地温梯度的平均值约为3100m。平时变化于1.54l00m之间，但个别新火山活动区能够很高。如西藏羊八井的地温梯度为300100m。第四节地下水化学成分的形成作用本节谈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
8、子与水中阳离子的作用混杂作用2种或以上不相同种类地下水交汇混杂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，岩土失去部分可溶物质，地下水中获得相应的化学组分，平时水的矿化度会增高。如：（岩水作用）离子2、影响因素（水和岩两个方面考虑）岩土的化学组分：平时流经什么样岩土，就会有什么样的水化学特点如：石灰岩地区常有水、花岗岩地区常有水组分的可溶性：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。水的溶解能力：与水的矿化度（TDS）、气体组分（，）含量有关a. 水中已溶组分的多少即水的
9、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，如，气体含量高，能够增相应盐类的溶解度增加硫化物的氧化，而被溶解增加碳酸盐类的溶解度平时，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。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）：阻滞与流动很缓慢的地下水，溶解能力最后会降低为零，溶滤作用很弱地下水流动速度快，水交替（更新）迅速，不断被补充，低TDS水不断更
10、新已经降低溶解能力的水，保持水的溶解能力。请思虑：若是某一地区，地下水流动很快，水交替（循环）迅速，水化学特点如何？也就是说，某一地区溶滤作用进行的很强烈，长远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？3、溶滤作用的结果：长远强烈溶滤作用的结果，地下水以低矿化度的难溶离子为主，如或水。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，盐最易溶水中随水带去，不断转入岩层中盐贫化随后，相对易溶的盐也被溶入水中随水带走，岩层中盐也贫化最后（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
11、难溶的碳酸盐（或硅酸盐）为主二、浓缩作用1、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。用一个理想模式，来理解浓缩作用：矿化度：350mg/L700mg/L1400mg/L2800mg/L插图6-2浓缩作用（过程）理想模式水份失去过程盐分相对浓集，水的矿化度不断增高，相应的水的化学成分也发生变化。实质上地下水在蒸发过程中，发生的浓缩作用与上述理想模式是不相同的！地下水在蒸发过程中，水分失去还有补充，盐分积累后随水流也会不断补充，因此，实质的蒸发生用能够产生含盐量很高的地下水（卤水）或盐渍化的土地。2、浓缩作用的结果：经常形成高矿化度的以易溶
12、离子为主的地下水（，为主的）蒸发浓缩前，地下水为低矿化水，阴离子以为主，阴离子以与为主。随着蒸发浓缩，溶解度小的钙、镁的重碳酸盐部解析出，及逐渐成为主要成分。连续浓缩，硫酸盐达到饱和并析出，水便形成以、为主的高矿化水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地区自然地理与地质条件的影响，地下水的化学特点经常拥有必然的分带性（空间上的）。3、浓缩作用的基本条件：干旱或半干旱的天气低平川势控制下较浅的地下水位埋深有利于毛细作用的颗粒微小的松弛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，由于只有水分纷至沓来地向某一范围供应，才能从别处带来大量的盐分，并使之集聚。三、脱碳酸作用：（钟乳石、石笋、泉华均是脱碳酸作用的结果）1、发生条件：环境的温度和压力变化。水中的溶解度受环境的温度和压力控制。随温度高升或压力降低，一部分便成为游离从水中逸出，发生脱碳酸作用。脱碳酸作用反应式：2、脱碳酸的结果：地下水中及、减少，矿化度（TDS）
