地下水的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 水文地质学基础 第一节概述研究地下水化学成分的意义 不同目的利用地下水 对水质有一定要求 解决水文地质理论有很大作用 对阐明成矿机理有很大意义 以下几种作用可影响地下水化学成分 1 地下水与周围岩石发生化学反应 2 与大气圈 水圈 生物圈进行水量交换时 交换化学成份 3 人类活动影响地下水化学成份 总之 地下水的化学成份是地下水与环境以及人类活动长期相互作用的产物 第二节地下水的化学特征 一 地下水中的主要气体成份常见等 尤以前三种为主 气体成份一方面能说明地下水所处的地球化学环境 另一方面 有些气体能够增强水溶解盐类的能力 促进某些化学反应 一 O N 来源于大气 随大气降水及地表水补给地下水 地下水中O N 较多 说明地下水以入渗补给为主 与大气圈关系密切 溶解的氧含量越多 说明地下水所处的地球化学环境有利于氧化作用的进行 N 单独存在 说明地下水处于封闭的还原环境 大气起源 二 H S CH 说明地下水处于还原环境 有有机质存在 并有微生物参与了生物化学反应 三 CO 主要来源于土壤 1 有机残骸发酵作用与植物呼吸作用使土壤中不断产生CO 溶入径流土壤的地下水中 2 含碳酸盐类的岩石 在深部高温下 也可变质生成CO 地下水中CO 愈多 其溶解碳酸盐的能力越强 二 地下水中的主要离子成份七种 Na K Ca Mg Cl SO HCO 特点 1 地壳中元素含量较多 且较易溶于水的 Ca Mg Na K 2 地壳中含量虽不很大 但极易溶于水的元素 Cl 以SO 形式出现的S 注意 这些离子与水中总溶解固体联系密切 相互对应 低矿化水中 Ca Mg HCO 为主 中等矿化水种 Na Ca SO 为主 高等矿化水种 Na Cl 为主 原因 氯盐溶解度最大 硫酸盐次之 碳酸盐溶解度较小 1 Cl 来源 1 岩盐或其它氯化物的溶解及海相沉积物种埋藏的海水 2 含氯矿物的风化 3 海水 4 火山喷物的溶滤 5 人为污染 特点 不为植物及细菌所摄取 不被土粒表面所吸附 不易沉淀析出 氯盐溶解度大 是地下水中最稳定的离子 2 SO 来源 1 含石膏或其它硫酸盐的沉积岩的溶解 其次天然硫 硫化物氧化使本来难溶于水的S以SO 形式大量进入水中 2FeS2 7O2 2H2O 2FeSO4 4H 2SO4 2S 3O2 2H2O 4H 2SO4 2 化石燃料燃烧产生SO 与氮氧化合物 氧化后并吸收水分后构成富含H SO 及NNO 的降雨 酸雨 从而使地下水中的SO 增加 3 有机物分解 3 HCO 来源 1 碳酸岩盐的溶解 2 岩浆岩与变质岩地区的HCO 主要来自铝酸盐矿物的风化溶解 4 Na 来源 1 沉积岩中岩盐及其它钠盐的溶解 2 含钠矿物的风化溶解 5 K 来源 1 含钾盐类沉积岩的溶解 2 变质岩 岩浆岩盐中含钾矿物的风化溶解 6 Ca 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 Mg 来源 1 碳酸盐类沉积岩的溶解 2 岩浆岩 变质岩中含镁矿物的风化溶解 三 地下水中的其它成份 1 离子 H Fe Fe Mn NH OH NO NO CO SiO PO 2 微量元素 Br I F B Sr3 胶体 Fe OH Al OH 及H SiO 等4 有机质 有机质的存在 常使地下水的酸度增加 5 微生物 氧化环境中存在硫细菌 铁细菌 还原环境中存在脱硫细菌等 污水中各种致病细菌 四 地下水的总矿化度及化学成份表示式 一 TDS 1 概念 地下水中所含各种离子 分子与化合物的总量称总矿化度 2 表示 以每公升水中所含克数 mg l 表示 3 测量 以105 110 时将水蒸干所得的干涸残余物总量表示 二 化学成分表示式 库尔洛夫式1 根据水分析结果计算各离子参加化合的摩尔浓度 各离子参加化合的摩尔数量应是离子电价与摩尔浓度之积 2 计算各离子参加化合的摩尔百分数某阴 阳 离子摩尔百分数 100 3 将阴阳离子分别按摩尔百分数降序排列 摩尔百分数大于10 者列入式中 小于10 这也可列入 但须加 4 库尔洛夫式表示格式如下 微量元素 g l 气体成分 g l 矿化度 g l T pH 第三节地下水的温度 一 基础知识1 地壳表层有两个热能来源 一个是太阳的辐射 另一个是来自地球内部的热流 2 根据受热影响 地壳表层可分为变温带 常温带及增温带 变温带是受太阳辐射影响的地表层带 下限深度15 30m 变温带以下是一个厚度极小的常温带 地温一般比当地年平均气温高出1 2 一般可将当地年平均气温当作常温带的地温 常温带以下受地球内部热源的影响 地温随深度加大而有规律地生高 地温梯度 指每增加单位深度时地温的增值 地温梯度的大致范围在1 5 4 100m 平均3 100m 但个别新火山活动区可以很高 如西藏羊八井的地温梯度为300 100m 二 地下水温度地下水温度受其赋存与循环处所的地温控制 已知年均气温 t 常温带深度 h 地温梯度 可概略计算某一深度的地下水温 即 T t H h 同样 利用地下水温 T 可以推算出其大致的循环深度 H 即 第四节地下水化学成分的形成作用 一 溶滤作用水与岩土相互作用下 岩土中一部分物质转入地下水中 这就是溶滤作用 溶滤作用的结果是岩土失去了一部分可溶物质 地下水则补充了新的成分 1 溶滤作用强度的影响因素 1 组成岩土的矿物盐类的溶解度溶解度越大 溶滤作用越强 2 岩土的空隙特征缺乏空隙的岩土体 水难于和矿物盐类充分接触 溶滤作用微弱 3 水的溶解能力 水对盐的溶解能力不是无限量的 当水中某盐类的含量达到其溶解度时 水对此盐类便失去溶解能力 总体上说 低矿化的水溶解能力强 而高矿化的水溶解能力弱 水中CO O 等气体成分的含量决定着某些盐类的溶解能力 4 水的流动性停滞的地下水 随时间的推移 水中溶解盐类增多 CO O 等气体耗失 最终将失去溶解能力 地下水流动迅速时 矿化度低 含CO O 的大气降水和地表水等水源便会不断入渗更新含水层中的水 使地下水可以保持较强的溶解能力 2 溶滤作用的特点 1 溶滤作用越强 时间越长 矿化度越低 水中以难溶离子为主要成分 2 气候潮湿多雨 地质构造开启性好 岩层导水能力强 地下水径流与水交替迅速的地区 地下水的矿化度越低 二 浓缩作用溶滤作用将岩土的成分溶于水中 地下水的流动又把这些物质带到排泄区 如果一个地区以蒸发为地下水的主要排泄去路 就会发生浓缩作用 蒸发作用只排走水分 盐分仍保留在余下的水中 随时间的推延 地下水溶液逐渐浓缩 矿化度不断增大 随矿化度升高 溶解度较小的盐类在水中相继达到饱和而沉淀析出 易溶盐类的离子逐渐成为水中的主要成分 1 产生条件 1 处于地下水排泄区因为只有水源源不断地向某一范围供应 才能从别处带来大量的盐分 使之聚集 2 干旱或半干旱气候 3 地势低平 岩土颗粒细小 水位埋深较浅 三 脱碳酸盐作用当温度高或压力降低时 水中的CO 溶解度减小 一部分CO 从水中逸出 这便是脱碳酸作用 结果 地下水中HCO Ca Mg 减少 矿化度降低 四 脱硫酸作用当在还原环境中 当有有机质存在时 若硫细菌能使SO 还原为H S 结果 水中SO 减少 HCO 增加 pH值增大 五 阳离子交替吸附作用 一定条件下 岩土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化为地下水中的组分 这便是阳离子交替吸附作用 产生原因 不同的阳离子其吸附于岩土表面的能力不同 吸附能力大小顺序 H Fe Al Ca Mg K Na 以含钙为主的地下水 进入主要吸附有Na 的岩土时 水中Ca 便置换岩土所吸附的一部分Na 使地下水中Na 增多 Ca 减少 粘土及粘土岩类最易发生离子交换吸附 而在致密的结晶岩中 实际上不发生这种作用 岩土的吸附能力取决于岩土的比表面积 颗粒越细 比表面积越大 交替吸附作用能力越强 注 比表面积 单位体积多孔介质内所有颗粒的总表面积 六 混合作用 成分不同的两种水混合在一起 形成化学成分与原来两者都不同的地下水 这便是混合作用 混合作用的结果 1 发生化学反应例如 当以SO Na 为主的地下水与含有Ca HCO 为主的地下水混合时 地下水便形成以Na HCO 为主的地下水 2 不发生明显的化学反应例如 当高矿化NaCl海水混入低矿化的重碳酸钙 镁型地下水中 基本上不产生化学反应 混合水的矿化度与化学类型取决于参与混合的两种水的成分及其混合比例 七 人类活动1 人类活动产生的废气物污染地下水 2 人为作用大规模地改变了地下水的形成条件 从而使其化学成分发生变化 过量开采地下水引起海水入侵 不合理引水灌溉容易造成次生盐碱化 第五节地下水化学成分的基本成因类型 一 溶滤水富含CO O 的渗入成因的地下水 溶滤它所径流的岩土而获得其主要化学成分 这种水称为溶滤水 溶滤水化学成分的组成主要依靠溶滤作用 因此 其化学成分受岩性 气候 地形等因素的影响 绝大部分地下水属于溶滤水 二 沉积水指与沉积物大体同时生成的古地下水 河 湖 海相沉积物中的水具有不同的原始成份 在漫长的地质年代中水质又经历了一系列复杂变化 通常是一些高矿化的咸水 三 内生水20世纪初 曾把岩浆看作温泉分异的产物 后来发现 在大多数情况下 温泉是大气降水渗入到深部加热后重新升到地表形成的 近年来 某些学者通过对地热系统的热均衡分析得出 仅靠水渗入深部获得的热量无法解释某些高温水的出现 认为应有10 30 的水来自地球深部圈层的高热流体的加入 这样 源自地球深部圈层的内生水又逐渐为人们所重视 但内生水的研究 至今尚不成熟 第六节地下水化学成分的分析内容 一 分析内容1 地下水化学分析类别根据工作的目的与要求不同 分析的项目与精度也不同 在一般水文地质调查中 分为简分析和全分析 为了配合专门任务 则进行专项分析 简分析用于了解区域地下水化学成分的概貌 主要分析HCO SO Cl Ca 总硬度 H值 其目的是为了初步了解水质是否适于饮用 全分析用于全面了解地下水化学成分 全分析并非分析水中的全部成分 一般定量分析以下各项 HCO SO Cl Ca NO NO K Mg Na NH Fe Fe H S CO 耗氧量 pH值及干涸残余物 2 在进行地下水化学分析的同时 必须对有关的地表水体取样分析如果地表水体是地下水的补给源 则地表水的成分将影响地下水 如果地表水是地下水的排泄去路 则地表水反映了地下水化学变化的最终结果 3 地下水化学分析结果的表示地下水化学分析的结果 将离子含量以毫克 升与毫克当量 升表示 这样 水中离子含量可以用毫克当量 升及毫克当量百分数表示 毫克当量百分数分别以阴 阳离子的毫克当量为100 求各阴 阳离子的占的毫克当量百分比 二 地下水化学分类与图示 1 舒卡列夫分类前苏联学者舒卡列夫根据地下水中六种主要离子 K 合并于Na 中 及矿化度划分的 含量大于25 毫克当量的阴离子和阳离子进行组合 共分成49型水 每型以一个阿拉伯数字作为代号 按矿化度又划分为4组 A组矿化度小于1 5g L B组1 5 10g L C组10 40g L D组大于40g L 优点 简明易懂 缺点 以25 毫克当量的离子未反映其大小的次序 反映水质变化不够细致 2 派珀三线图解 1 三线图构成派珀三线图解由两个三角形和一个菱形组成 左下角三角形的三条边线分别代表阳离子中的Na K Ca 及Mg 的毫克当量百分数 右下角三角形的三条边线分别代表阴离子中的Cl SO 及HCO 的毫克当量百分数 2 应用任一水样的阴阳离子的相对含量分别在两个三角形中以标号的圆圈表示 引线在菱形中得出交点 以圆圈综合表示此水样的